The Miniaturized Ultraviolet Imager (MUVI), is a compact wide field UV imaging instrument in development at UC Berkeley Space Sciences Laboratory and Cal Poly, San Luis Obispo. MUVI is designed to fit in a 2U CubeSat form factor and provide wide field, high resolution images of the ionosphere at far ultraviolet wavelengths. This thesis details the design and analyses of MUVI’s deployable cover mirror mounting flexures. Three different flexure geometries were evaluated, an optimal candidate was determined based on a number of criteria including isolation of vibration and stress to the mirrors, manufacturability and cost. The design of the flexure system includes the flexure blades themselves, Invar pads bonded to the mirror to mitigate the difference in CTEs of the different material, mounting of flexure blades to the deployable cover and ground support equipment for assembly and testing. During the design of the flexures, various materials were studied, and Titanium was concluded as the optimum material due to its combination of high strength and flexibility compared to stainless steel, aluminum and other metals. Utilizing titanium, several flexure designs were proposed, and three candidates were selected to be manufactured and tested. Throughout the design phase, all flexures went through several rounds of analysis utilizing finite element analysis to simulate quasi-static loads, modal analysis of the systems natural frequency as well as random vibration simulations to simulate testing environments. Once the front-runner designs were selected and manufactured, several tests were conducted. Testing included adhesive bond coupon testing of the adhesive in tension and bending to experimentally validate the bonding size of the invar pads would be sufficient. The adhesive bond testing conducted tension and three-point bend tests to characterize the epoxy adhesive used in the flexure assembly. Testing also consisted of sine sweep and random vibration environment in accordance with the NASA General Environmental Verification Standard to qualify the hardware for spaceflight. Throughout the vibration testing, an autocollimator was used pre and post-test to measure shifts in the optical alignment of the mirror after it underwent vibration qualification testing. Experimental and analytical models were compared once all testing was completed. The Curved Blade showed to test in the real world very close to that predicted by the finite element model, however, the Bent Blade and Z Blade showed a larger difference between analysis and test. Discussion into the reasoning for this difference and lessons learned is included.

The infrared, Raman and ultraviolet spectra of cyclopentanone, cyclopentanone -α,α,α',α'-d₄ and cyclopentanone-d₈ have been studied. The high resolution ultraviolet absorption spectra of the three isotopic species have been analysed in detail. The electronic transition has been identified as a single-singlet transition associated with ṉ→π* orbital electron promotion. The vibrational and rotational structures accompanying this electronic transition have been analysed and the results are in agreement with theoretical predictions. The geometry of the molecule in both ground and excited states has been calculated. In the excited state conformation, the oxygen atom is bent out of the plane of the three adjacent carbon atoms; there is a potential barrier of 705cm⁻¹ with respect to the oxygen out-of-plane bending vibration in the upper state. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

L'œil est un organe complexe quotidiennement exposé au rayonnement électromagnétique ambiant. Les fonctions sensorielles uniques qu'il assure nécessitent l'acheminement spécifique d'une portion de ce rayonnement, la lumière, jusqu'à la rétine tapissant son fond. À cette fin, le chemin optique est constitué de différents tissus caractérisés par leur remarquable capacité à absorber ou transmettre des longueurs d'onde définies. L'absorption de longueurs fortement énergétiques s'accompagne néanmoins d'un risque de toxicité susceptible de compromettre l'intégrité et la santé des tissus absorbants. Tel est notamment le cas des rayons ultraviolets de type B ou UVB (rayons les plus énergétiques atteignant la surface oculaire en conditions normales). Les effets dommageables des UVB ont été documentés et découlent principalement de processus photochimiques directs. Il est de plus en plus reconnu que deux autres domaines du spectre électromagnétique ambiant, les UVA et la lumière bleue visible à haute énergie (HEV), disposent d'un potentiel significatif de toxicité pour les tissus oculaires. Toutefois, les fondements de cette nocivité sont mal compris. Les UVA, absorbés par la cornée et le cristallin, et la lumière HEV, absorbée au niveau de la rétine, se démarquent par une grande capacité à causer un stress oxydatif, à travers des processus indirects largement dépendants de la présence d'oxygène et de photosensibilisateurs adéquats dans les tissus absorbants. Plusieurs évidences lient leur toxicité à ce stress oxydatif, mais les événements moléculaires sous-tendant ce lien restent à définir. L'objectif global des travaux présentés dans cette thèse était donc d'identifier les déterminants de la toxicité tissulaire reliés à l'effet pro-oxydant de ces rayons. Bien que majoritairement absorbés par le cristallin, la cornée filtre une portion significative des rayons UVA parvenant à la surface oculaire et les conséquences de cette filtration sont très peu documentées. Le premier volet de nos travaux s'est donc penché sur les conséquences précoces d'une exposition de la cornée à ces rayons. L'exposition d'yeux de lapins aux UVA a permis de confirmer que ceux-ci induisent de nombreux phénomènes d'oxydation tout le long du tissu cornéen. Nous avons décrit les altérations moléculaires immédiates causées par ces phénomènes et leur profil de distribution à travers les trois couches cellulaires cornéennes (épithélium, stroma et endothélium). Nous avons ainsi déterminé que dans sa configuration native, la sensibilité aux dommages et la réponse de la cornée aux UVA ne sont pas uniformes d'une région à l'autre du tissu. Par exemple, alors que l'épithélium subit d'importantes altérations moléculaires en réponse à l'exposition, ses cellules limitent efficacement les manifestations immédiates de la toxicité des UVA par des mécanismes compensatoires. En contraste, l'endothélium à la surface postérieure de la cornée, présente une grande susceptibilité à une toxicité immédiate, et l'oxydation induite par une exposition prolongée aux UVA pose un risque particulier pour sa santé. Le second volet visait à déterminer les mécanismes cellulaires mis en œuvre dans l'action toxique de la lumière HEV. Les données disponibles sur la toxicité oculaire de ce rayonnement montrent que celle-ci touche principalement l'épithélium pigmenté de la rétine (EPR) et repose sur une accumulation de photosensibilisateurs endogènes dans ce tissu avec l'âge. Nous avons toutefois identifié un photosensibilisateur exogène de la lumière HEV susceptible de s'accumuler dans l'EPR, l'indénopyrène (IcdP), un hydrocarbure aromatique polycyclique abondant dans la fumée de tabac. Par l'exposition de cellules d'EPR humain à l'IcdP et/ou la lumière HEV, nous avons mis en évidence une synergie toxique émanant de leur interaction. L'IcdP devient au moins 3000 fois plus cytotoxique en présence de doses sous-létales de lumière HEV, causant un stress oxydatif, des altérations structurelles et une mort cellulaire rappelant les événements dégénératifs observés dans la dégénérescence maculaire liée à l'âge (première cause de cécité chez les personnes âgées). L'étude des mécanismes derrière cette synergie révèle que l'interaction IcdP-lumière HEV induit une perte du contrôle synchrone des phases assurant le métabolisme normal du xénobiotique dans l'EPR, ce qui semble précipiter le déclin cellulaire. Nos travaux ouvrent la perspective que la toxicité de la lumière HEV pour l'EPR soit significativement modulée, entre autres, par le style de vie des individus et la pollution environnementale. En évaluant leur toxicité sous des angles nouveaux, cette thèse démontre que le caractère nocif des rayons UVA et de la lumière HEV pour les tissus oculaires est largement sous-estimé. / The eye, a complex organ, faces the ambient electromagnetic spectrum on a daily basis. Its unique sensory functions require the specific delivery of light, a small portion of that spectrum, to the retina, the inside lining of eye fundus. To achieve such specificity, the optical path is made up of different tissues, each showing a remarkable ability to absorb or transmit precise wavelengths. However, high energy wavelengths absorption is associated with a risk of toxicity, which might threaten the integrity of absorbing tissues. This is particularly true for ultraviolet B or UVB (most energetic naturally occurring radiation that reach the ocular surface). UVB deleterious effects have been documented and mainly arise from direct photochemical processes. There is now a growing consensus that UVA and high energy visible blue light (HEV), the wavelengths adjacent to UVB in the spectrum, hold a significant potential for ocular toxicity. However, the basis for such toxicity is poorly understood. UVA rays are absorbed by the cornea and the lens, while HEV light is absorbed by the retina. Both spectral regions are characterized by a strong ability to promote oxidative stress in target tissues through indirect oxygen-dependent processes that rely on the presence of specific photosensitizers in tissues. Several data show that oxidative stress correlates with the toxic effects induced by eye exposure to UVA or HEV light, but the molecular events underlying such correlation remain to be clarified. The overall goal of the work presented in this thesis was therefore to identify key oxidation-related determinants of UVA and HEV light toxicity for ocular tissues. Even if the lens absorbs the majority of UVA rays reaching the ocular surface, the cornea also filters out a significant part of these wavelengths, and there is very little information on the repercussion for the cornea. In the first section of my thesis, we thus sought to determine the early consequences of cornea exposure to UVA. Using UVA-irradiated rabbit eyes as a model, we confirmed the induction of numerous oxidation reactions through corneal entire thickness. We reported oxidatively generated molecular changes occurring in the cornea very shortly after exposure and we described their distribution within the three corneal cellular layers (epithelium, stroma and endothelium). We provide evidence that in corneal native conformation, damage susceptibility and responsiveness to UVA-induced oxidation vary from one layer to another. For example, while corneal epithelial cells are subjected to important modifications in response to UVA exposure, they efficiently limit the early manifestations of UVA-induced toxicity by using compensatory mechanisms. On the other hand, the endothelium, the posterior portion of the cornea, is more susceptible to UVA-induced immediate toxicity. Oxidation resulting from extended exposure of the cornea to UVA is therefore expected to pose a hazard to corneal endothelium integrity. The second section of my thesis aimed to define cellular mechanisms involved in HEV light toxic action. Available data in the literature show that HEV light ocular toxicity primarily affects retinal pigment epithelium (RPE) and relies on the age-related accumulation of endogenous photosensitizers in RPE cells. However, we have identified an exogenous HEV light photosensitizer, indenopyrene (IcdP), an important tobacco smoke derived polycyclic aromatic hydrocarbon, which may accumulate in RPE. Using IcdP and/or HEV light-exposed human RPE cells as a model, we highlighted a toxic synergy between IcdP and HEV light. IcdP is at least 3000 times more toxic for RPE cells when irradiated with sub-lethal amounts of HEV light. It then promotes degenerative changes comparable to those observable in age-related macular degeneration (the leading cause of irreversible vision loss among elderly people). These changes include oxidative stress, structural defects and apoptotic cell death. A study of the molecular processes underlying this synergy reveals that IcdP HEV light interaction results in loss of the tight coupling required between the two metabolic phases ensuring IcdP efficient detoxification in RPE. Such loss seems to precipitate cell deterioration. Our work raises the prospect that HEV light toxicity for RPE is significantly modulated, among other things, by lifestyle and environmental pollution. This thesis, addressing UVA and HEV light ocular toxicity from a new perspective, proves that their harmful nature in ocular tissues is largely underestimated

En absence de fongicides postrécoltes pour la conservation des fruits et légumes en général et des carottes en particulier, les racines sont soumises à des agents pathogènes responsables de pourritures, qui raccourcissent la durée de vie et diminuent la qualité commerciale du produit. L’hormèse induite par la lumière UV-C, qui est la stimulation d'effets bénéfiques à de faibles doses de ce facteur de stress potentiellement dangereux à des doses élevées, est considérée comme l'une des alternatives les plus prometteuses à l’utilisation des fongicides pour la conservation long terme des carottes. L'objectif global de ce travail était de développer un traitement de pré- entreposage par la lumière UV -C pour induire une résistance aux maladies dans les carottes et augmenter leur durée de conservation. La méthodologie comprenait la détermination de la dose hormétique (optimale) permettant d'induire une résistance des carottes à Botrytis cinerea, Sclerotinia sclerotiorum, Rhizoctonia carotae et Pythium sulcatum; l'évaluation de l’effet de la température d’entreposage après traitement UV-C sur la résistance de la carotte; et l'évaluation de l’effet de l’âge physiologique des carottes avant le traitement UV-C et de la persistance de la résistance induite par les UV-C dans les carottes pendant l’entreposage à long terme . La résistance induite a été évaluée par l'agressivité des agents pathogènes et des infections naturelles, l'accumulation de la phytoalexine 6-methoxymelléine (6-MM), des polyacétylènes falcarinol et falcarindiol, de la myristicine et de l'induction de protéines de défense PR- 2 (β-1,3-glucanases) et PR-3 (chitinases). La progression de la sénescence a été évaluée par l’incidence et la sévérité des repousses foliaires et des repousses racinaires. Les résultats ont montré un effet quadratique significatif entre la dose du traitement UV-C et la réponse de résitance des carottes aux maladies causées par B. cinerea, S. sclerotiorum, R. carotae, et P. sulcatum. La résistance des carottes aux maladies augmentait progressivement avec les doses jusqu'à une dose optimale d'environ 5,4 kJ.m-2. A cette dose hormétique, un maximum d'environ 55 % d'inhibition de la croissance des agents de pourritures inoculés a été observé, et au-delà de cette dose la résistance aux maladies a diminué. La température d’entreposage des carottes après le traitement hormétique a eu également un impact sur l'inhibition de la croissance de B. cinerea sur les carottes, et cette inhibition était supérieure sur les racines traitées et entreposées à 4 °C. En outre, le traitement hormétique UV-C a considérablement amélioré la résistance à long terme des carottes contre des infections naturelles. De plus, la sénescence des racines traitées, telle qu’observée par les repousses racinaires et foliaires, a été ralentie et décalée d’un maximum de deux mois par rapport aux carottes non traitées. L’accumulation de la phytoalexine 6-méthoxymélléine (6-MM) dans la pelure des carottes a été induite par le traitement UV-C et la production maximale de ce composé a été observée aux environs de la dose UV-C de 5,4 kJ.m-2. Quelle que soit la température d’entreposage après le traitement hormétique, le profil d’accumulation de la 6-MM était le même, c’est-à-dire que les quantités de ce composé atteignaient un certain maximum, suivie d'une diminution, et d’une stabilisation. Il semble que les cellules de carotte aient été plus sensibles à la 6-MM à 24 °C, et à cette température, elles accumulaient et dégradaient cette molécule le plus rapidement, en supportaient des plus bassses quantités maximales, et la stabilisaient à des valeurs d'équilibre plus bassses. Entreposées à 4 °C après le traitement hormétique UV-C, les carottes produisaient des quantités maximales les plus élevées de 6-MM (autour de 120 μg.g-1 de poids frais (PF)), et contenaient au bout de 7 mois d’entreposage des valeurs d'environ 45 μg.g-1 PF de cette molécule. Selon la dose léthale de 6-MM (DL50) pour l’inhibition de la croissance de B. cinerea (environ 20 μg.g-1 PF), il est raisonnable de penser que cette phytoalexine joue un rôle important dans la résistance induite à long terme des carottes contre les pourritures postrécoltes. Il y a une accumulation de myristicine dans les carottes après un traitement à la lumière UV-C. Cependant, le rôle de cette molécule dans les réactions de défense des carottes est très peu connu. Le traitement hormétique préentreposage UV-C n'a pas eu d'effets sur l’accumulation du falcarindiol et du falcarinol quelle que soit la température d’entreopsage. La lumière UV-C n’a pas semblé affecter l'accumulation de falcarinol et falcarindiol, ce qui renforce l’idée du fait que ces composés soient préformés et fassent partie des défenses constitutives des carottes. Des analyses de type Western blot ont révélé deux bandes constitutives de 38 kDa et de 45 kDa pour chacune de protéines PR-2 (β-1,3-glucanases) et PR-3 (chitinases) testées. Le traitement hormétique UV-C a induit une augmentation progressive des quantités de PR-2 de 38 kDa (3 à 4 fois relativement à leur niveau initial) dans les carottes entrposées à long terme à basse température (4 °C). Les autres protéines PR détectées sont restées stables, autour de leur valeur initiale dans les carottes traitées aux UV-C et entreposées à 4 °C. Cependant, toutes les protéines PR détectées ont connu une diminution à des taux variables de leurs quantités initiales quand les racines étaient entreposées à 14 °C et 24 °C, traitées ou non. Cela nous suggère que les protéines PR font partie intégrante de la résistance induite aux UV-C des carottes en entreposage long terme. Nos données suggèrent, en somme, qu’un traitement aux UV-C pourrait être une technologie utile dans la gestion intégrée des maladies pour le stockage à long terme des carottes. / As there is no fungicide currently registered for postharvest application on carrot, the long-term storage of this crop is limited because of the postharvest decay, which shortens the storability. UV-C hormesis is the stimulation of beneficial effects at low doses of this potentially harmful stressor at high doses, and is considered as one of the most promising alternatives to fungicides for preservation and long-term storage of carrots. The overall objective of this study was to develop a prestorage treatment with UV-C to induce disease resistance in carrots and increase their storage life. The methodology included the determination of the hormetic (optimum) dose to induce disease resistance in carrots against Botrytis cinerea, Sclerotinia sclerotiorum, Rhizoctonia carotae and Pythium sulcatum; the evaluation of time delay after harvest before UV-C treatment and storage temperature on carrot resistance; and the evaluation of the persistence of UV-C induced resistance in carrots during the long-term storage. The induced resistance was evaluated by challenge inoculation with pathogens and natural infections of the treated carrots, and defenswe mechanisms such as the accumulation of the phytoalexin, 6-methoxymellein (6-MM), the polyacetylenes falcarinol and falcarindiol, myristicin and the induction of defense proteins, PR-2 (β-1,3-glucanases) and PR-3 (chitinases). The progress of senescence was evaluated by the severity of sprouting and rooting. There was a significant quadratic dose-response relationship between UV-C dose and resistance to B. cinerea or S. sclerotiorum, R. carotae, and P. sulcatum. Carrot resistance to diseases progressively increased compared with control roots, up to a dose of about 5.4 kJ.m-2. At the hormetic dose, a maximum of about 55% reduction in growth of the challenged organisms was observed and beyond that dose, disease resistance decreased. Storage temperature had also an impact on the inhibition of the B. cinerea growth on carrots, and the inhibition was greater on the treated carrots and stored at 4 °C during 70 days. In addition, during 7 months of the long-term storage, the naturally occurring infections, as well as the senescence indicators such as sprouting and rooting were delayed by about two months on treated carrots compared with the non-treated roots. Prestorage treatment with the hormetic UV-C dose elicited the production the phytoalexin 6-MM in carrot peel with maximum accumulation level of about 120 µg.g-1 FW with the hormetic UV-C dose. Regardless of the storage temperature, the level of 6-MM reached a certain maximum, followed by a decrease, and thereafter, it remained steady. At 4°C, 6-MM reached the highest maximum value (120 µg.g-1 FW), and decreased gradualy with storage time to reach a level of about 45 µg.g-1 FW after seven months. It is likely that this carrot phytoalexin plays an important role in the roots long-term induced resistance, since it is known that the ED50 of 6-MM inhibitory for the growth of decay agents is 20 µg.g-1. At the storage temperature of 24 °C, it appears that 6-MM accumulates at the fastest rate, but also degrades at the fastest rate resulting in lowest maximum as well as steady state level, presumably due to high sensitivity of carrot tissue at higher storage temperatures The polyacetylenes falcarinol and falcarindiol were present in untreated carrots and they are likely to be preformed antimicrobial compounds. The prestorage UV-C treatment did not have any impact on falcarindiol and falcarinol at any storage temperature. UV-C treatment does not seem to affect falcarinol and falcarindiol accumulation; hence those compounds tend to be preformed. There was an accumulation of myristicin in carrots treated by UV-C. However, the role of this compound in disease resistance and its fungistatic effects remain unclear. Immunoblotting analysis revealed two constitutive bands at 38 kDa and 45 kDa for both PR-2 (β-1,3-glucanases) and PR-3 (chitinases) proteins. There was a progressive and significant enhancement of 38 kDa of PR-2 (3 to 4 folds the initial level) in carrots treated with UV-C hormetic dose and stored at low temperature during long term storage, while the other PR-proteins detected did not exhibit any changes during storage at 4 °C. However, all PR-proteins degraded at various rate in roots stored at higher temperatures (14 °C and 24 °C), which suggests that PR-proteins are an integral part of long-term resistance in UV-C hormesis treated carrots. Our data suggest, overall, that UV-C treatment could be a beneficial technology in the integrated management of diseases for long-term storage of carrots.

<p dir="ltr">Prevention of the spread of diseases caused by airborne biological pathogens is of great concern. This was highlighted by the Covid-19 Pandemic, which was caused by the SARS-CoV-2 virus. One method for preventing the transmission of airborne pathogens is UV-C irradiation, which has been proven to effectively inactivate a wide range of airborne pathogens, including influenza viruses and coronaviruses. Disinfection of air using UV-C is usually employed through upper-room Ultraviolet Germicidal Irradiation (UVGI), UV-C based air cleaners in HVAC ducts, or stationary cabinets. In the research presented herein, near-field applications of UV-C disinfection are explored through implementation in personal protective equipment.</p><p dir="ltr">A series of personal protective devices were developed for real-time inactivation of airborne pathogens in military or civilian applications. The devices use UV-C radiation from low-pressure mercury lamps (254 nm) and UV-C LEDs (nominally 277 or 282 nm) to inactivate airborne pathogens that are inhaled or exhaled by users, thereby reducing the risk of disease transmission. The devices employ Porex PMR20, a material highly reflective of UV-C radiation, to promote photon recycling and improve the fluence rate fields inside the reactors. To quantify the efficacy of these UV-C devices, testing procedures were developed and applied. A two-part procedure was employed: (1) measurement of the fluence rate using the Micro Fluorescent Silica Device (MFSD) together with a positioning device and (2) biological experiments using T1 bacteriophage as an aerosolized challenge agent to quantify virus inactivation.</p><p dir="ltr">The fluence rate measurements were completed by fixing the location of the MFSD probe and moving the reactors to precise locations using the positioning device. The MFSD measurements were converted to fluence rate using measurements from an NIST-calibrated radiometer and collimated UV-C sources. When comparing the measurements with and without the PMR20, the local fluence rate for the LED reactors was found to be amplified by up to 10 times the value without the PMR20. A central peak was also found for both LED reactors, which was not present in measurements without the PMR20. Of the two LED reactors, the Nichia Reactor was found to have higher peaks in fluence rate, probably due to the higher output from the LEDs when compared to the JLED LEDs. The LP Hg Pod was found to have less significant amplification from the PMR20, with the maximum amplification being only 3 times the value without PMR20. The fluence rate near the walls lined with PMR20 was found to have the highest amplification for the Pod reactor, due to the lamp being located at the center of the reactor (unlike the LED reactors, where UV-C sources were positioned along the reactor walls).</p><p dir="ltr">The biological experiments were conducted using aerosolized T1 bacteriophage as a challenge agent. T1 was selected for these experiments because it has been shown to be more resistant to inactivation at the wavelengths of interest than most airborne pathogens; as such, T1 is a conservative surrogate for airborne pathogens in these applications. Experiments were conducted first at one flow rate and subsequently at a range of flow rates to quantify the effectiveness of the reactors and the impact the PMR20 on the inactivation response. When tested at the lowest flow rate of 2.5 L/min, all three reactors were found to provide inactivation at least as effective as the nominal removal provided by an N95 mask (95% or 1.3 log₁₀ units). The LP Hg Pod reactor was found to provide at least this level of inactivation (1.3 log₁₀ units) at flow rates up to 52.5 L/min when PMR20 lined the reactor. When tested without the PMR20, the loss in inactivation was substantial at 52.5 L/min but not at the lower flow rates.</p><p dir="ltr">The testing protocol developed and applied in this project could be applied to a range of other reactors intended for disinfection of air. A need exists to standardize testing and validation methods for UV-C based reactors and devices that are used to disinfect air. As such, the methods described herein may allow translation to other UV-C based devices.</p>

Understanding the natural processes that have taphonomic effects on bone is an important part of accurately determining the postmortem interval (PMI). Ultraviolet radiation is one of these various natural processes that weather bone. The present study quantifies the degree to which differential exposure to sunlight affects bone bleaching and weathering. In this study, 140 Sus scrofa long bones were placed in two different microenvironments (grassland and woodland) within a New England setting. Upon the completion of a one-year observation period, 100% of the bones had reached bleaching level 4, and 9.85% (n = 13) of the bones had reached weathering stage 1, with the majority (n = 11) being from the woodland sample. The results indicated that the microhabitat that each sub-sample was deposited within played a statistically significant role in the degree and rate of bleaching and weathering on the bone, with chi-square tests all indicating a p value of < 0.001. In addition, results indicated that environmental variables that led to the more rapid decomposition of soft tissue, such as temperature, humidity, and the type of plant coverage, may play a greater role in the level of bleaching and weathering achieved by the bones, rather than simply the degree of exposure to UV radiation and light intensity.

Le stress oxydatif peut provenir de sources exogènes comme les UVA ou de sources endogènes comme la chaîne respiratoire (OXPHOS). L'oxydation des composants cellulaires a été associée avec la dégénération, des phénotypes de vieillissement et des pertes de fonctionnalités des tissus. Les UVA sont les plus efficaces des rayons UV à induire de l’oxydation, tel que démontré par la formation de dommages oxydatifs à l'ADN et par l'apparition de délétions mitochondriales qui en résultent. La délétion mitochondriale de 4977 pb (ADNmtCD4977), la plus commune, et celle de 3895 pb (ADNmt3895) sont deux délétions reliées au photovieillissement cutané et à l'exposition au stress oxydant. Le phénomène de vieillissement dans la peau est bien documenté et se traduit par une dégradation de la matrice extracellulaire, une perte d'élasticité et la formation de rides. Toutefois, peu d'études portent sur la cornée humaine alors qu'elle est un tissu exposé directement aux rayonnements UV au même titre que la peau. Nous avons donc tenté mieux comprendre l'effet de l'oxydation exogène et endogène sur cette structure. L'analyse de la localisation des délétions ADNmtCD4977 et ADNmtCD4977 dans l'oeil humain a permis de révéler qu'elles se concentrent principalement dans le stroma cornéen et s'accumule avec l'âge. Le stroma cornéen est la couche cellulaire qui confère la transparence et la rigidité à la cornée humaine. Ces résultats nous ont suggéré une implication des UVA dans le photovieillissement de la cornée. Nous avons donc entrepris de vérifier les changements liés à l'exposition aux UVA dans le stroma cornéen puisque les UVA sont connus pour causer des altérations à la matrice extracellulaire (ECM) au niveau cutané. Nous avons donc créé un modèle de photovieillisement par une exposition chronique aux UVA sur des kératocytes avec lesquels nous avons fait sécréter une ECM. Nos résultats nous ont démontré qu'une exposition chronique aux UVA cause des altérations à l'ECM cornéen semblable à des phénotypes de photvieillissement. En effet, nous avons dénoté des changements transcriptomiques et protéomiques pour certains collagènes et protéoglycans. Une atteinte aux collagènes par le vieillissement cornéen se traduit entre autres par une rigidification, une opacification et un changement dans son pouvoir réfractif qui mène à une perte de la vision. Par ailleurs, notre avons également investigué l'implication du stress oxydatif dans la dystrophie cornéenne endothéliale de Fuchs (FECD), une maladie dégénérative de l'endothélium cornéen, qui mène à une perte de vision et est une cause principale de greffe cornéenne. L'étiologie de la maladie est encore inconnue, mais le stress oxydatif est soupçonné de jouer un rôle important dans la pathogenèse. Nos résultats ont amené de nouvelles évidences de l'implication de l'oxydation dans la maladie par l'augmentation de la quantité d'ADN mitochondrial et un raccourcissement des télomères dans des explants de cornées pathologiques. Nos résultats nous ont également démontré que la mise en culture de cellules FECD permettait la sélection de cellules fonctionnelles et comparables à des cellules saines en termes de quantité d'ADN mitochondrial et de son intégrité, de sensibilité à l'oxydation et de longueur télomérique. Les résultats obtenus soutiennent ainsi la possibilité d'employer les cellules FECD fonctionnelles sélectionnées pour utilisation en génie tissulaire afin de créer des cornées autologues pour pallier aux manques de greffes cornéennes. Enfin, nos résultats apportent de nouvelles évidences quant à l'implication du stress oxydatif dans le photovieillissement cornéen et dans l'étiologie de la FECD. / Oxidative stress can arise from exogenous sources like UVA or endogenous source like the respiratory chain (OXPHOS). Oxidation of cellular components is associated with degenerative disease, aging phenotypes and loss of tissue functions. UVA is the most efficient components of UV light to induce oxidation, like it have been shown by the formation of oxidative damage on DNA and the appearance of resulting mitochondrial deletions. The mitochondrial deletion of 4977 bp (mtDNACD4977), the most common, and the 3895 bp (mtDNA3895) are both connected to skin photoaging and exposition to oxidative stress. Skin photoaging is well documented and is portrayed by a degradation of the extracellular matrix, a loss of elasticity and formation of wrinkles. However, few studies have been done on the human cornea even if this structure is directly exposed to UV light like the skin. Thus, we have tried to understand the effect of exogenous and endogenous oxidative stress on this eye structure. Analysis of mtDNACD4977 and mtDNA3895 in the human eye has shown that these deletions are localized in the corneal stroma and accumulate with age. The corneal stroma is the cellular layer conferring transparency and rigidity to the human cornea. Our results have suggested that UVA is implicated in the photoaging of the cornea. Thus, we checked for changes linked to UVA exposure in the corneal stroma since UVA are known to cause alteration to the extracellular matrix (ECM). Thereby, we created a photoaging model by exposing keratocytes to chronic UVA doses and then making them secrete an ECM. Our results have shown that chronic UVA exposure causes changes similar to photoaging phenotypes. We noted changes in the transcriptomic and proteomic expression of collagen and proteoglycans. Alteration to collagens composition by aging leads to corneal rigidity, cloudening and a loss of refractive power of the cornea, which can result in a loss of vision. On the other hand, we also investigated the implication of oxidative stress in the Fuch’s Endothelial Corneal Dystrophy, a degenerative disease of the corneal endothelium, which leads to a vision loss and is the leading cause of corneal transplantation. The etiology of the disease is not well known, but oxidative stress is suspected of playing an important role in the pathogenesis. Our results have shown new evidences of oxidative stress in the pathology by displaying an increase in mitochondrial DNA and a telomeric shortening in cells from corneal explants. Our results have also shown that using cell culture on FECD cells can allow the selection of functional cells that can compare to healthy cells terms of mitochondrial amount and integrity, sensitivity to oxidation and telomere length. Our results support the fact that functional FECD cells could be used to create autologous cornea by tissue engineering to solve the lack of corneal graft. Thus, our findings bring new evidences to the implication of oxidative stress in corneal photoaging and in the etiology of FECD.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” Araraquara, Brasil Doutorado / Le développement de nouvelles fibres optiques capables de transmettre dans les régions de l'ultraviolet moyen (200-300 nm) et lointain (120-200 nm) bénéficierait aux techniques de microlithographie, aux technologies laser, et également à la détection chimique (détection du phosphore et du soufre pour l'agriculture), ce qui représent la principale motivation de ce travail. En outre, les verres mixtes fluorure/phosphate peuvent offrir un environnement de fluorures de faible énergie de phonons qui est favorable pour l'émission avec une grande efficacité quantique lorsqu’ils sont dopés avec des ions de terre rare trivalents. Une telle propriété rend alors leur utilisation attractive pour d'autres applications également sous forme de fibres et/ou verres massifs dans le domaine de la photonique. La seule fibre connue pouvant opérer dans l’UV (~170-300 nm) est constituée de silice pure dopée avec OH/F. Cependant, l'utilisation de telles fibres est limitée par l'effet de solarisation qui dégrade la transmission de la lumière UV après une exposition prolongée. Les verres à base de fluorophosphate (FP) sont des matériaux hautement transparents dans l'UV lorsqu’ils possèdent de faibles quantités d'impuretés, offrant ainsi une alternative aux fibres de silice utilisées aujourd'hui dans cette région du spectre électromagnétique. Ces verres sont produits par le mélange de fluorures et polyphosphates et combinent ainsi leurs propriétés telles que: une excellente aptitude à vitrifier, un faible indice de réfraction et une large fenêtre de transmission (~ 160-4000 nm). Toutefois, peu d'études ont été rapportées à ce jour sur leur méthode de fabrication et par conséquent, les pertes optiques dans la région UV. En outre, lorsqu'il est dopé avec des ions de terres rares trivalentes (RE), l'environnement de faible énergie de phonon est favorable pour les efficacités quantiques élevées, ce qui permet une application photonique sous forme de fibre et/ou de verre massif. Par conséquent, des verres FP très purs ont été préparés et utilisés pour fabriquer des fibres optiques à saut d´indice, par une technique de creuset modifiée. Dans une première étape, les verres ont été étudiés pour être très transparents dans la région VUV, jusqu'à 160 nm, et les caractéristiques des températures, la viscosité autour du point de ramollissement ont été caractérisées. Ensuite, les fibres ont été fabriquées par la technique du creuset, par l´étirage d´une préforme à travers un creuset en silice fondue. Alors que la cristallisation incontrôlée a été observée lors du tirage des fibres par le procédé classique, l'étirage à partir d'un creuset en silice fondu s'est avéré approprié pour obtenir des fibres de verre FP exemptes de cristaux. Ensuite, des mesures d'atténuation ont été effectuées sur les fibres. La deuxième partie de cette thèse est compose de deux parties: l'étude structurale des verres FP avec différent ratios fluorure/phosphate et la corrélation des propriétés luminescentes des verres dopés avec des ions de terres rares avec leur structure. Les verres obtenus ont été caractérisés par différentes techniques, calorimétrie différentielle à balayage (DSC), spectroscopie Raman et résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMN). Au cours de l'étape suivante, on a utilisé des techniques de double resonance ²⁷Al/³¹P pour quantifier le nombre moyen de liaisons P-O-Al dans les verres et l'environnement local des espèces de fluorure a également été déterminé. Ensuite, les verres ont été dopées avec des ions de terres rares et l'environnement local a été caractérisé par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) de la sonde Yb³+ et par des expériences de photoluminescence sur des ions Eu³⁺. Les propriétés de la luminescence ont été corrélées avec la transformation structurale en fonction de la composition. Enfin, en raison de la haute transparence UV, nous avons préparé des verres FP dopées avec des ions Gd³+, Tm³+ et Yb³+ comme candidat potentiel pour la fabrication de lasers à fibre UV. Les propriétés de photoluminescence sous excitation au laser à diode de 980 nm ont été étudiées et l'effet des différent ratios fluorure/phosphate dans les verres sur l'émission de conversion ascendante UV du Gd³+ a egalement été etudié. Ensuite, leurs propriétés structurales ont également été explorées par la résonance magnétique nucléaire du ⁴⁵Sc, incorporé pour imiter les ions de terres rares dans la matrice vitreuse. En utilisant la technique de la double résonance ⁴⁵Sc/³¹P, la distribution du ligand entourant les ions de terres rares a été quantifiée et l'efficacité de l'émission du Gd³+ par rapport aux ions Tm³+ avec la structure a été effectuée. / The development of new optical fibers capable to operate in the deep-ultraviolet (DUV, 200-300 nm) and the vacuum-ultraviolet (VUV, 120-200 nm) would benefit to laser technologies, microlithography techniques (increased spatial resolution) and elemental chemical sensing applications (phosphorous and sulfur sensing in agriculture). The only well-established UV-transmitting fiber existing to date consists in high-OH/fluorine doped silica glass core/clad fibers. However, the utilization of such fibers is limited by solarisation effect that degrades the UV-light transmission with long time exposition. Mixed fluoride-phosphate (FP) glasses with ultra-low content of impurities can be VUV- and/or DUV-transmitting materials, offering thus an alternative to the commercialized high-OH/fluorine doped silica fibers. These glasses are produced by mixing fluorides and polyphosphates to combine their properties as excellent glass-forming ability, low refractive index and broad optical transmission windows ranging from ~160 to 4000 nm. Also, when doped with trivalent rare-earth (RE) ions, the low phonon fluorine environment is favorable for RE high quantum efficiencies, making then suitable for photonic application in the form of fiber and/or bulk glass. Firstly, highly pure FP glasses were prepared and utilized to fabricate step-index optical fibers, by a modified crucible technique. In a first step, the bulk glasses were studied to be highly transparent in the VUV region, down to 160 nm, and the characteristics temperatures, viscosity around softening point were characterized. Then, the fibers were fabricated by the crucible technique, drawing the as-made core-cladding preforms in a silica crucible assembly. While uncontrolled crystallization was observed during the fiber drawing by the conventional method, drawing from a fused silica crucible showed to be suitable to obtain crystal-free FP glass fibers. Additionally, the cut-back method was employed to measure the optical attenuation on the FP step-index and single index glass fibers. The second part of this thesis involves the network structural investigation of a series of FP glasses with different fluoride/phosphate ratio. Raman and multinuclear solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopies were used to study the polyphosphate network transformation for the different fluoride/phosphate ratios. In the next step ²⁷Al/³¹P double resonance techniques were used to quantify the average number of P-O-Al linkages in the glasses and the local environment of fluoride species were also determined. Then, the glasses were doped with RE ions and the local environment was characterized by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of Yb³+ ions probe and by photoluminescence experiments on Eu³+ dopant ions. The luminescence properties were correlated with the structural transformation as a function of composition. Lastly, due to the high UV tansparency of the FP glasses, we prepared FP glasses doped with Gd³+, Tm³+, and Yb³+ ions as a potential candidate for fabrication of UV fiber lasers. The photoluminescence properties under 980 nm diode laser excitation were studied, and the effect of fluoride/phosphate ratio in the glasses in the Gd³+ UV upconversion (UC) emission were verified. The effect of Gd³+ content in the UV UC emission was also studied. Then, by using ⁴⁵Sc/³¹P double resonance technique, utilizing scandium as a diamagnetic mimic for the luminescent RE species, the ligand distribution surrounding the RE ions were quantified, and the efficiency of the Gd³+ emission, compared to the Tm³+ ions with structure was done.

Les dommages à l'ADN induits par les rayons ultraviolets B (UV) solaires jouent un rôle important dans les cancers de la peau induits par les rayons solaires. Le travail présenté dans cette thèse examine le rôle de l'enzyme nucléaire poly (ADP-ribose) polymérase-1 (PARP-1) dans les réponses cellulaires suite aux dommages à l'ADN induits par les UV. Premièrement, nous avons examiné le mécanisme précis d'activation de la PARP-1 en réponse aux UV. En utilisant des techniques d'irradiation locale d'UV, d'immunocytochimie et d'immunoprécipitation de la chromatine, nous avons démontré que PARP-1 est activée de deux façons distinctes en réponse à deux types de dommages à l'ADN causés par les UV, i.e., les photo-lésions directes et les dommages oxydatifs. Ces deux types de dommages à l'ADN sont réparés par les voies de réparation par excision de nucléotides (NER) et par excision de bases (BER), respectivement. Depuis que le rôle de PARP-1 est bien connu dans le BER, nous nous sommes concentrés à examiner si la PARP pouvait jouer un rôle dans NER en faisant une déplétion stable de la PARP à l'aide de l'ARN interférence (ARNi) dans des fibroblastes de peau humaine qui étaient compétents dans NER ou déficients dans l'étape de reconnaissance des lésions du NER. En utilisant la technique de «host cell réactivation» (HCR), nous avons observé que les cellules déficientes en PARP-1 étaient inefficaces dans l'étape de la reconnaissance des lésions du NER. Durant l'exploration du rôle de PARP-1 dans l'apoptose induite par les UV, nous avons découvert que l'ARNi arrêtait durant l'apoptose. Nous avons trouvé que Dicer, un endonucléase de la famille RNaselII et un élément critique dans la régulation de l'ARNi, était clivé par la caspase-3 durant l'apoptose, ce qui amenait l'inactivation de ses fonctions catalytiques et l'abrogation de l'ARNi. En résumé, cette thèse élucide un important rôle de PARP-1 dans les réponses cellulaires aux UV. De plus, la découverte imprévue de 1' abrogation de l'ARNi durant l'apoptose présente de nouveaux défis dans les domaines relatifs à l'ARNi. / The DNA damages induced by solar ultraviolet B radiation (UV) play an important role in sunlight-induced skin cancers. The work presented in this thesis examines role of a nuclear enzyme, poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) in cellular responses to UVinduced DNA damage. PARP-1 is known to be activated in response to different types of DNA damages, and its activation is known to participate in different cellular responses ranging from DNA repair to cell death. To understand the mechanism of activation of PARP-1 in UV-irradiated cells, we used elegant techniques of local UV irradiation, immunocytochemistry and chromatin immunoprecipitation to demonstrate that PARP-1 is activated in two distinct phases in response to two different types of DNA damage caused by UV, i.e., direct photolesions and oxidative DNA damage. These two types of UVinduced DNA lesions are repaired by nucleotide excision repair (NER) and base excision repair (BER) pathways, respectively. Since PARP-1's role in BER is well-known, we focused on examining whether PARP could play a role in NER by stably depleting PARP-1 using DNA vector-based RNAi in human skin fibroblasts which are either proficient in NER or deficient in lesion-recognition steps of NER. Upon analyses of the NER-capacity of these cells by host cell reactivation (HCR) assay using a recombinant adenovirus-based reporter gene, we observed that PARP-1-depleted cells were inefficient in the lesion recognition step of NER. While exploring the role of PARP-1 in UV-induced apoptosis using the above models, we serendipitously discovered that RNAi fails during apoptosis. We find that endonuclease Dicer-1, critical in the regulation of RNAi gets cleaved by caspase-3 during apoptosis, which leads to its catalytic inactivation and failure of RNAi. In summary, this thesis elucidates an important role for PARP-1 in cellular responses to UV. In addition, the RNAi-abrogation during apoptosis is an exciting discovery that presents new challenges in the relatively new field of RNAi.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Le dommage à l'ADN provoqué par le rayonnement ultraviolet est réparé par excision de nucleotides (NER). La vitesse de ce mécanisme est réduite lorsque la PARP-1, une enzyme impliquée dans plusieurs autres voies de réparation de l'ADN, est inhibée ou réduite par interférence stable à l'ARN. Ce travail vise à déterminer si cette implication de la PARP-1 transite par la première protéine de reconnaissance du NER : DDB2. Nous avons démontré une augmentation de l'interaction entre la PARP-1, son produit le poly(ADP-ribose) et DDB2 suite à l'irradiation aux UVC, et une quasi abolition de l'interaction entre DDB2 et la PARP-1 suite à l'inhibition catalytique de celle-ci. Cette inhibition, sans affecter le recrutement aux lésions de DDB2, affecte plutôt celui de XPC, la seconde protéine de reconnaissance du NER. Ces résultats suggèrent une coopération entre la PARP-1 et DDB2 dans le NER possiblement impliquée dans le recrutement de XPC aux dommages.