Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Ce présent projet de maîtrise porte sur l'étude du couplage neurovasculaire, soit la relation entre l'activité neuronale et la dilatation/constriction des vaisseaux sanguins, car une dysfonction dans le couplage neurovasculaire est une des caractéristiques de certaines pathologies cérébrales telles que la maladie d'Alzheimer, l'hypertension intracrânienne et l'AVC ischémique, mais aucune technique d'imagerie existe pour mesurer l'activité neuronale et l'oxygénation vasculaire cérébrale simultanément et indépendamment. Ce projet de recherche a pour buts principaux de développer un modèle animal de souris et un protocole d'imagerie pour étudier le couplage neurovasculaire in vivo injectées d'un adénovirus associé (AAV) à l'aide d'un microscope 2-photons. Cette modalité d'imagerie, permet d'exciter et d'imager des structures fluorescentes à haute résolution spatiale. Cette méthode de microscopie a l'avantage de produire des images contenant l'information venant uniquement du plan focal, et de permettre une plus grande profondeur de pénétration par rapport aux autres techniques de microscopie standards. Dans ce projet, un modèle animal a été développé et optimisé pour exprimer la protéine fluorescente GCaMP6s dans le corps cellulaire des neurones excitateurs et inhibiteurs chez des souris adultes. Ce modèle animal exprime aussi le fluorophore Texas Red qui est un marqueur de plasma sanguin. Les paramètres du microscope 2-photons ont été déterminés pour imager et mesurer l'activité neuronale ainsi que pour imager la vasculature cérébrale simultanément et indépendamment dans le cortex somatosensoriel qui est relié aux mouvements des moustaches. Les mesures acquises démontrent que cette technique d'imagerie et ce modèle animal permettent d'obtenir de l'information sur l'activité neuronale avec et sans stimulation sur des souris anesthésiées ou éveillées. Les stimulations externes appliquées à la souris imagée sont des bouffées d'air envoyées sur les moustaches d'un côté du museau de la souris. Des images de la structure vasculaire ont été obtenues avec le faisceau gaussien du microscope 2-photons, mais aussi avec le faisceau de Bessel qui permet d'acquérir des images volumiques. L'étude du couplage neurovasculaire de ce modèle animal a été faite au microscope 2-photons en corrélant l'intensité des signaux émis par GCaMP6s et par Texas Red. De plus, la microscopie à champ large a été exploitée pour quantifier l'hémodynamique dans l'ensemble du cortex, puis ainsi vérifier la corrélation entre l'oxygénation du sang et l'activité neuronale. Finalement, la possibilité de mesurer le débit sanguin au microscope 2-photons et de détecter l'activité neuronale au microscope à champ large a été évaluée. / This present master's project focuses on the study of neurovascular coupling, i.e. the relationship between neuronal activity and the dilation/constriction of blood vessels, because a dysfunction in neurovascular coupling is one of the characteristics of certain cerebral pathologies like Alzheimer's disease, intracranial hypertension and ischemic stroke, but no imaging technique exists to measure neuronal activity and cerebral vascular oxygenation simultaneously and independently. The main goals of this research project are to develop an animal mouse model injected with an associated adenovirus (AAV) and an imaging protocol to study neurovascular coupling in vivo using 2-photon microscopy. This imaging modality makes it possible to excite and image fluorescent structures at high spatial resolution. This method of microscopy has the advantage of producing images containing information coming only from the focal plane, and of allowing a greater depth of penetration compared to other standard microscopy techniques. In this project, an animal model was developed and optimized to express the fluorescent protein GCaMP6s in the cell body of excitatory and inhibitory neurons in adult mice. This animal model also expresses the Texas Red fluorophore which is a blood plasma marker. The parameters of the 2-photon microscope were determined to image and measure neuronal activity as well as to image the cerebral vasculature simultaneously and independently in the somatosensory cortex which is connected to the movements of the whiskers. The measurements acquired demonstrate that this imaging technique and this animal model make it possible to obtain information on neuronal activity with and without stimulation in anesthetized or awake mice. The external stimuli applied to the imaged mouse are puffs of air delivered to the whiskers on one side of the mouse's muzzle. Images of the vascular structure were obtained with the Gaussian beam of the 2-photon microscope, but also with the Bessel beam which makes it possible to acquire volumetric images. The study of the neurovascular coupling of this animal model was made under a 2-photon microscope by correlating the intensity of the signals emitted by GCaMP6s and by Texas Red. In addition, wide-field microscopy has been used to quantify hemodynamics throughout the cortex, and thus verify the correlation between blood oxygenation and neuronal activity. Finally, the possibility of measuring blood flow under a 2-photon microscope and detecting neuronal activity under a wide-field microscope was evaluated.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La media vasculaire est au coeur des processus physiopathologiques qui entraînent le développement de l’athérosclérose. L’utilisation d’une media reconstruite par génie tissulaire permet d’étudier les cellules musculaires lisses (CML) humaines dans un environnement plus physiologique que les cellules en culture monocouche. Les travaux présentés dans cette thèse sont orientés autour de la media vasculaire reconstruite par génie tissulaire comme modèle d’étude pharmacologique et prothèse vasculaire autologue. La première partie des travaux porte sur l’étude des interactions de cette tunique avec les microparticules (MP) circulantes. D’abord, nous avons montré que la présence de l’adventice modifie la réponse de la media aux MP produites in vitro à partir des lymphocytes T. Ensuite, l’étude de l’effet des MP isolées du sérum de patients en choc septique sur la media humaine a démontré que ces MP sont en mesure d’augmenter la contraction de la media par un mécanisme impliquant une diminution du NO et une augmentation de l’expression de l’ARN messager de l’interleukine-10. L’incubation de la media reconstruite avec cette cytokine anti-inflammatoire bloque l’hyporéactivité induite par les lipopolysaccharides. Le même phénomène a été reproduit in vivo, chez le rongeur. Ces résultats suggèrent que les SMP auraient un effet protecteur sur la fonction vasculaire, en potentialisant la contraction de la media. Ensuite, nous avons optimisé l’approche de reconstruction de prothèses vasculaires par auto-assemblage proposée initialement pour l’adapter au contexte particulier des CML. L’objectif principal était de permettre l’étude physiopathologique de la media à partir de toutes les lignées de CML; indépendamment de leur capacité de synthèse de matrice extracellulaire. Pour ce faire, nous avons développé un échafaudage de matrice extracellulaire produit par auto-assemblage à partir de fibroblastes humains. L’utilisation de cet échafaudage génère une media plus résistante et plus contractile que la technique initiale. Enfin, une anisotropie a été créée dans cet échafaudage pour permettre une orientation physiologique des CML. La media reconstruite devient ainsi plus résistante et plus contractile. Ces améliorations permettent de reconstruire des media à partir des cellules de plus de patients et mèneront à des études pharmacologiques plus représentatives de la population. Cet échafaudage facilitera la translation clinique de ce modèle de media reconstruite par génie tissulaire. / The pathological processes that result in the development of atherosclerostic lesions take place in the vascular media layer. This condition is responsible for half of cardiovascular associated fatalities. The development of a tissue-engineered blood vessel can contribute to the in vitro study of the human media in a 3-dimensional environment. This blood vessel can also be used as a prosthesis for arterial bypasses. The work presented here focus on the reconstructed vascular media as a pharmacological model and a potential vascular substitute. The vascular media reconstructed by self-assembly was used to study the interactions between this layer and circulating microparticles (MPs). We demonstrated that the adventitia layer can influence the response of the media to T-Lymphocytes derived MPs. Next, we investigated the influence of MPs isolated from whole blood of septic shock patients (SMPs), on the human engineered media. This study demonstrated that the SMPs decrease nitric oxide (NO) production and increase interleukin-10 (IL-10) messenger RNA in the media layer. Incubation of reconstructed media with this anti-inflammatory cytokine blocks the hyporeactivity induced by lipopolysaccharides. This finding was confirmed in vivo, in rodents. Therefore, the elevation of MP levels in sepsis is potentially probeneficial to the cardiovascular function in this pathology. We then investigated the feasibility of improving the reconstructed media in order to facilitate the physiopathological studies of this layer and improve the potential of a smooth muscle cell (SMC)-containing substitutes to be implanted in human. Therefore, the self-assembly approach was used to generate an extracellular matrix (ECM) scaffold, produced in vitro by fibroblasts, in which SMCs can be seeded. After a week of culture in a decellularised matrix scaffold, the SMC-containing sheets were rolled around a mandrel to form a media layer. This engineered media demonstrated an increase mechanical resistance and contractility as compared with the original technique. Finally, we created an anisotropic ECM scaffold that can direct the orientation of SMCs to reproduce the physiological orientation of that layer. Reconstructed media produced using those anisotropic scaffolds were more resistant and contractile than the ones reconstructed using isotropic scaffolds. These improvements will facilitate the reconstruction of a media layer using pathological cells from patients and could lead to more representative pharmacological study of this layer. Moreover, this scaffold will facilitate the clinical translation of the model from bench to bedside.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative qui se manifeste par un vaste répertoire de symptômes moteurs, cognitifs et psychiatriques. La pathologie est causée par une expansion anormale de la queue polyglutamine du gène huntingtine (HTT), qui code pour une protéine ubiquitaire du même nom, et qui possède différentes fonctions dans de nombreux processus cellulaires. La MH résulte de l'expression d'une forme mutée de la protéine huntingtine (mHTT), laquelle peut s'agréger et ainsi interférer avec les processus cellulaires conduisant à la dégénérescence des cellules. Une précédente étude a analysé les conséquences délétères de la présence de mHTT dans la barrière-hémato-encéphalique (BHE), une structure cellulaire localisée au niveau du réseau vasculaire cérébral qui empêche le passage de substances périphériques à l'intérieur du système nerveux central (SNC). Par conséquent, nous avons décidé d'explorer l'existence de déficiences similaires au niveau de la barrière entre sang et la moelle épinière, une structure similaire à la BHE, mais localisée dans le réseau vasculaire de la moelle épinière (blood-spinal cord barrier, BSCB). Nous avons d'abord analysé la distribution, la fréquence et la localisation spécifique des agrégats de mHTT dans des échantillons de moelle épinière provenant de patients MH et de contrôles sains. Ces analyses ont révélé la présence quasi-exclusive de la mHTT dans la substance grise de la moelle épinière. Nous avons par la suite mesuré l'impact de ces agrégats sur les composants protéiques de la BSCB. Notre analyse démontre une dérégulation significative de certaines protéines essentielles formant des jonctions serrées dans la barrière, causant possiblement le phénomène de perméabilité accrue de la BSCB observé chez les patients atteints de la MH. Des études précédentes ont conduit à la théorie selon laquelle la mHTT pourrait se comporter à la manière d'un prion, propageant ainsi la maladie dans le SNC. Nous avons validé cette théorie en utilisant trois approches différentes ; une in vitro et deux in vivo. Trois différents modèles cellulaires humains (SH-SY5Y, THP1, et iGABA) ont été traités avec des fibrilles synthétiques afin d'observer l'effet de fibrilles humaines exogènes de mHTT (Q48) et de huntingtine normale (HTT ; Q25). Nous avons observé que les fibrilles pouvaient être internalisées par ces cellules, induisant des changements morphologiques et de la mort cellulaire. De plus, des changements de niveaux de HTT ont été observés. Au cours des expériences in vivo, des souris adultes sauvages (WT) ont reçu une injection intra-corticale unilatérale de fibrilles synthétiques de fragments N-terminaux de (m)HTT (Q25 et Q48), alors que des souriceaux R6/2 et WT ont reçu une injection intraventriculaire bilatérale. Dans les deux protocoles, les injections de fibrilles Q48 ont conduit à des changements comportementaux et les analyses post-mortem ont révélé que ces fibrilles exogènes étaient capables d'induire et d'exacerber la pathologie. Ces résultats démontrent que la mHTT pourrait se comporter tel un prion, se propageant et aggravant la pathologie dans le SNC. De plus, la démonstration que la mHTT perturbe l'intégrité de la BSCB suggère que l'exacerbation de sa perméabilité pourrait être une route possible de la propagation de la mHTT. / Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder that results in a series of motor, cognitive, and psychiatric symptoms. The pathology is caused by abnormal expansion of the polyglutamine tract of the huntingtin gene (HTT), which encodes a ubiquitous protein named huntingtin, and has different functions in several cellular processes. HD results from the expression of a mutated form of the huntingtin protein (mHTT) that forms protein aggregates and disrupts these cellular processes causing neurodegeneration. A previous study analyzed the deleterious consequence of the presence of mHTT on the blood-brain barrier (BBB), a cellular structure located in the brain vasculature that prevents the passage of peripheral substances into the central nervous system (CNS). Therefore, we decided to explore the existence of similar impairments in the blood-spinal cord barrier (BSCB), a structure similar to the BBB, but located in the spinal cord vasculature. To begin with, we analyzed the anatomical distribution, frequency, and specific location of mHTT aggregates in spinal cord samples from HD and healthy control human samples, revealing an almost exclusive presence of mHTT within the grey matter of the spinal cord. We then measured HD impact on the spinal cord vasculature and BSCB permeability. Our analysis showed an increase of the small blood vessel density and the presence of features related to BSCB leakage, such as diffusion of fibrinogen in the surrounding parenchyma and peripheral cells infiltration. Moreover, the measure of the levels of the protein components of the BSCB revealed a downregulation of some essential proteins forming tight junctions in the barrier that is the likely cause of the increased BSCB permeability that we observed in HD patients. Previous studies led to the theory that mHTT might behave in a prion-like fashion spreading and seeding the disease throughout the CNS. We validated this theory using three different approaches; one in vitro and two in vivo. Three different human cell lines (SH-SY5Y, THP1, and iGABA neurons) were treated with synthetic fibrils to observe the effect of exogenous human fibrillar mHTT (Q48) and huntingtin (HTT) (Q25). We observed that the fibrils could be taken up by these cells, subsequently inducing cellular morphological changes and apoptosis. Moreover, changes in HTT levels and sequestration of endogenous HTT within pathological inclusion bodies were observed suggesting a prion-like behavior by mHTT. Subsequently, in in vivo experiments, wild type (WT) adult mice were administered an intracortical unilateral injection of synthetic fibrillar N-terminal fragments of mHTT (Q25 and Q48), while R6/2 and WT pups received a bilateral intraventricular injection. In both protocols, the Q48 injections resulted in behavioral changes and the appearance of features HD-related. The post-mortem analysis revealed that the exogenous fibrils were able to spread through the brain inducing and exacerbating the pathology in both animal models. These results demonstrate that mHTT might behave in a prion-like fashion, spreading and exacerbating the disease throughout the CNS. Moreover, the demonstration that mHTT disrupts the integrity of the BSCB suggests that the increased permeability could be a route of mHTT propagation.

La translation vers la clinique de nouveaux médicaments anti-cancéreux peut échouer à différentes étapes, notamment lors du passage des modèles animaux à l'humain. Pour améliorer la prédictibilité des tests précliniques, de nouveaux modèles in vitro humains recréant le microenvironnement tumoral sont nécessaires. Dans le cadre du mélanome cutané, les vaisseaux sanguins et lymphatiques dermiques sont des composantes essentielles à la progression tumorale, tout comme les cellules immunitaires. Nous avons émis l'hypothèse qu'il est possible de microvasculariser des substituts cutanés avec des capillaires sanguins et lymphatiques, puis d'appliquer ce contexte tissulaire à la modélisation du mélanome. Notre modèle, basé sur la méthode d'auto-assemblage, est constitué, dans un premier temps, de fibroblastes, de cellules endothéliales microvasculaires humaines et de kératinocytes. Deux types de réseaux ont été observés dans les substituts cutanés en coupe et sur tissu entier. Ils présentent des morphologies distinctes et sont caractérisés par des marquages CD31 (pan-endothéliale) et podoplanine (spécifique aux cellules lymphatiques). La capacité des cellules endothéliales à former des réseaux en fonction de leur origine, cellules de nouveau-né ou d'adulte, a été évaluée. Il a également été confirmé que la présence d'un épiderme formé de kératinocytes influe sur la formation des réseaux de capillaires sanguins et lymphatiques. Les peaux doublement microvascularisées ont permis l'étude du mélanome dans un microenvironnement humain in vitro. Ce modèle a été formé en ajoutant des sphéroïdes de mélanome aux substituts cutanés (6 lignées). Une fois incorporées dans le microenvironnement cutané, les tumeurs répondent à un traitement chronique (12 jours) au vemurafenib de façon dose-dépendante (diminution de la prolifération des cellules de mélanome et augmentation significative de l'apoptose). Par la suite, des cellules immunitaires humaines primaires (dérivées du sang périphérique) ont été incorporées dans la tumeur ainsi que dans le tissu environnant, résultant notamment en la présence de monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), lymphocytes CD8+ et cellules HLA-DR+. Ces tissus avec ou sans cellules immunitaires ont été stimulés avec du lipopolysaccharide (LPS), menant à une modification de la proportion des sous-populations immunes présentes dans le modèle. Ce modèle humain répondant à des thérapies anti-cancéreuses et pouvant contenir une composante immunitaire est un outil prometteur pour l'étude du mélanome ainsi que pour l'évaluation de futures molécules en oncologie, incluant des immunothérapies. / Clinical translation of new oncology compounds can fail at different stages, including the translation from animal to human studies. To improve the predictability of preclinical testing, new in vitro human models mimicking the tumor microenvironment are needed. In skin melanoma, blood and lymphatic capillaries are key features of tumor progression, as well as immune cells. We hypothesize that it is possible to microvascularize skin substitutes with both blood and lymphatic capillaries in order to use these tissues to model and study melanoma in vitro. Our self-assembled model was produced using primary human fibroblasts, microvascular endothelial cells and keratinocytes. Two subtypes of capillary networks were present in the reconstructed skin as observed after labeling on cryosections and whole mount samples. Their morphology differs, and they were characterized by immunostaining against CD31 (pan-endothelial) and podoplanin (lymphatic endothelial cells). The ability of endothelial cells from newborn or adult to form networks was assessed. It was also confirmed that the keratinocytes can affect the capillary networks, formed by blood and lymphatic endothelial cells. The microvascularized reconstructed skin allowed to study melanoma in a human microenvironment in vitro. The melanoma model was produced by adding melanoma spheroids to the skin substitutes (with 6 melanoma cell lines). After tumor incorporation in the 3D model, it was treated chronically (12 days) with vemurafenib and displayed a dose-dependent response (significant decrease of proliferation and increase of apoptosis). The last step was to incorporate human primary blood-derived immune cells in the tumor and in the surrounding skin, leading to the presence for example monocytes/macrophages (CD14+, CD163+), CD8+ lymphocytes and HLA-DR+ cells. The different tissues were stimulated with LPS, leading to a modification of immune cell subpopulations in the model (with 4 different donors and 2 melanoma cell lines). This human melanoma model which responds to a known therapy and can include an immune component is a promising tool to study melanoma and to test new therapeutic compounds, including immunotherapies.

Le besoin clinique de nouvelles technologies pour favoriser la régénération des tissus et des organes lésés ou malades a permis l'émergence de l'ingénierie tissulaire. Ce concept s'est révélé être une stratégie prometteuse afin de fournir une alternative aux maladies vasculaires dans un futur plus ou moins proche. Les modèles issus du génie tissulaire vasculaire ont également le potentiel d'être utilisés comme des modèles in vitro de tissus pour l'étude des processus physiopathologiques ainsi que pour des essais précliniques de médicaments et de différents dispositifs médicaux. De nombreuses approches existent dans ce domaine ayant chacune ses avantages et inconvénients, mais aucune n'a encore eu un réel succès. Dans ce contexte, le projet de cette thèse a été de concevoir, développer et valider un modèle de la paroi vasculaire en mimant la structure d'une artère naturelle. Brièvement, une artère est composée de trois couches composées chacune d'un type cellulaire différent qui lui confèrent des propriétés et des fonctions propres à chaque type de cellules. Celles-ci sont enchevêtrées dans une matrice extracellulaire majoritairement composée de collagène. En se basant sur les travaux précédents du Laboratoire de Biomatériaux et Bioingénierie de l'Université Laval, le gel de collagène de type I a été utilisé comme matrice tridimensionnelle grâce à son fort potentiel pour supporter et guider les cellules vasculaires dans le processus de régénération du tissu in vitro. L’objectif a été le développement d'un modèle de tri-culture avec un échafaudage à base de collagène pour imiter intimement l'organisation cellulaire en tri-couches des artères natives. Dans un premier temps, un modèle plat a été élaboré et caractérisé. Puis dans un deuxième temps, une nouvelle méthode pour créer des tubes cellularisés de collagène a été mise au point. Et enfin, dans un troisième temps, le développement d'un protocole pour la création d'une tri-culture tubulaire soutenue par une matrice de collagène a été conçu et validé. / The tremendous clinical need for the development of technologies to facilitate the regeneration of injured or diseased tissues and organs allowed the openning of tissue engineering field. The concept of vascular tissue engineering has emerged as a promising strategy in order to provide an alternative to animal models of vascular diseases. Engineered arterial models have the potential to be used instantly as an in vitro models of vascular tissue for the investigation of patho/physiological processes and as preclinical tests for drugs and devices. Many approaches exist in this area, each with its advantages and disadvantages but none of the approaches yet had a real success. With this in mind, the objective of this thesis was to design, develop and validate an easy and fast-to-prepare vascular wall model mimicking the natural artery structure. Briefly, an artery is composed of three layers, consisting of different cell types that confer each layer with certain properties and functions. These cells are embedded in extracellular matrix mainly composed of collagen. Based on the previous work of the Laboratory for Biomaterials and Bioengineering of Laval University, type I collagen gel was used as a three dimensional matrix; thanks to its strong potential to support and guide the vascular cells in the process of tissue regeneration in vitro. The objective was therefore to develop a tri-culture model based on collagen scaffold to closely mimic the cellular organization in tri-layers of native arteries. First, a flat model was developed and characterized. Then secondly, a new method for creating cellularized collagen tubes was developed. And finally, the development of a protocol for the establishment of a tubular tri-culture supported by a collagen matrix was designed and valided.

Le besoin de substituts pour vaisseaux sanguins de petit calibre a attiré une attention considérable sur le développement de constructions artérielles dans des bioréacteurs à partir de systèmes d’échafaudage. Les gels formés à partir de collagène reconstitué représentent des substrats idéaux pour le remodelage du à l’activité cellulaire, mais leur faible résistance et élasticité limitent leur utilisation comme échafaudages pour la régénération du tissu vasculaire. Ces caractéristiques proviennent de la perte d’organisation structurelle liée au processus d’extraction du collagène. Dans ce contexte, l’objectif de ce projet était d’améliorer les propriétés mécaniques des gels de collagène afin de supporter la croissance et la maturation du tissu vasculaire sous contrainte cyclique. En considérant l’importance de l’état d’agrégation du collagène pour les propriétés mécaniques des tissus natifs, la stratégie de ce projet a été de modifier la microstructure des matrices de collagène reconstitué en agissant sur trois aspects : 1) les interactions intermoléculaires et la fibrillogenèse ont été ajustées en variant les paramètres expérimentaux (pH, température, force ionique et concentration du collagène); 2) des liaisons covalentes ont été introduites afin de fixer des fibrilles voisines; 3) les gels ont été compactés et les fibrilles alignées grâce à l’action de remodelage des cellules. Des mesures de spectrophotométrie et des images par MEB ont confirmé les effets des conditions expérimentales et du remodelage sur la microstructure des gels. Notamment, la présence des cellules a permis la formation de matrices plus compactes et orientées, surtout en présence de contraintes mécaniques. Des essais mécaniques ont démontré que les stratégies adoptées ont engendré le renforcement de la structure. En particulier, des essais cycliques ont établi que la variation des conditions expérimentales combinée à la réticulation ont produit des matrices dont l’hystérèse diminue et l’élasticité augmente. En conclusion, l’ensemble de ces études a permis la réalisation à court terme (24-48 h) de structures à base de collagène présentant une résistance mécanique, une rigidité et une élasticité accrues. Ces résultats suggèrent que ces matrices sont de bons candidats comme supports pour la régénération de tissus vasculaires sous conditionnement cyclique. / The need for small-caliber vascular replacements has attracted considerable attention on the development of scaffold-based vascular constructs in bioreactors. Reconstituted collagen gels represent ideal substrates for cell-mediated remodeling, but their low strength and low elasticity, limits their application as scaffold for the regeneration of the vascular tissue. These features result from collagen extraction and the consequent loss of structural organization. The objective of this project was to improve the mechanical performances of collagen gels in order to support the growth and the maturation of the vascular tissue under cyclic conditioning. Considering how fundamental collagen assembly is for the mechanical behavior of native tissues, the microstructure of reconstituted collagen lattices was modified by working on three aspects: 1) The intermolecular interactions and the aggregation of collagen monomers were tailored by modulating the experimental conditions, including pH, temperature, ionic strength and collagen concentration; 2) Inter-fibril crosslinking was carried out in order to fix neighboring collagen fibrils through their reactive side chains; 3) Gels were compacted and fibrils were aligned through cell-mediated remodeling. Spectrophotometric analyses and SEM confirmed the effects of changes in experimental conditions and cell-mediated remodeling on collagen gels microstructure. Notably, the presence of SMCs lead to tighter and highly oriented lattices, moreover in the presence of mechanical constraints. Mechanical tests showed that the adopted procedures contributed to the stiffening of collagen lattices. In particular, the modulation of the experimental conditions combined with crosslinking lead to lattices presenting lower hysteresis and higher elasticity as shown by cyclic tests. In conclusion, this study produced, in a short time (24-48 h), collagen gel-based lattices with improved stiffness, strength, and elastic recoil. The results suggest that these lattices are serious candidates for the role of temporary supports during the maturation period under cyclic loading.

Les recherches sur le cerveau portent fréquemment sur ses réseaux fonctionnels internes. Cela implique l'évaluation de la connectivité fonctionnelle (CF), qui est la corrélation statistique entre les activités neuronales dans diverses régions cérébrales. L'une des techniques les plus utilisées pour mesurer la connectivité fonctionnelle est l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette technique repose sur le principe qu'une activité neuronale accrue dans une région cérébrale spécifique entraîne généralement une augmentation du flux sanguin cérébral dans la même région. Cette augmentation du flux sanguin cause l'élévation des niveaux d'oxygène relatifs du cerveau, ce sont ces changements qui sont mesurés par l'IRMf. Cependant, il est connu que la relation entre l'activité neuronale locale et les changements subséquents dans le flux sanguin cérébral est complexe. Une meilleure compréhension de cette relation pourrait influencer l'interprétation des données de connectivité fonctionnelle issues de l'IRMf. Dans ce travail, la relation entre la connectivité fonctionnelle mesurée par IRMf de repos et la variabilité dans la structure vasculaire régionale du cerveau est étudiée. Cela est effectué en utilisant des données publiques disponibles sur la structure vasculaire entière du cerveau de la souris. La variabilité de la structure vasculaire cérébrale est évaluée à l'aide d'une métrique appelée similarité vasculaire. Ensuite, la relation entre la variabilité de la structure vasculaire et la CF est quantifiée en utilisant des modèles de régression linéaire multiple de la connectivité fonctionnelle. Ces modèles incorporent la similarité vasculaire aux côtés de prédicteurs de la CF couramment utilisés issus de la connectivité structurelle et de la topologie spatiale. Ces modèles révèlent que la variabilité de la microstructure vasculaire explique une quantité significative de la variance de la CF mesurée par IRMf de repos, et ce, autant dans des ensembles de données de connectivité fonctionnelle femelle que mâle. / The study of the brain frequently focuses on its intrinsic functional networks. This involves evaluating the functional connectivity (FC), which is the statistical correlation between neuronal activities in various brain regions. One of the most widely used techniques to measure functional connectivity is functional magnetic resonance imaging (fMRI). This technique relies on the principle that increased neuronal activity in a specific brain region typically leads to a rise in cerebral blood flow in the same region. Subsequently, this increased blood flow elevates the relative oxygen levels in the brain's blood, which is detected by the fMRI. However, it is known that the relationship between the local neuronal activity and subsequent changes in cerebral blood flow is complex. A better comprehension of this relationship could influence the interpretation of functional connectivity data arising from fMRI. In this study, the relation of resting-state fMRI functional connectivity and the variability in regional brain vasculature is investigated. This is done by using publicly available whole-brain vasculature data of the mouse brain. The variability of the brain vasculature is assessed using a metric called vascular similarity. Then the relationship between the variability of the brain vasculature and the FC is quantified using multiple linear regression models of functional connectivity. These models incorporate vascular similarity alongside commonly used metrics of FC derived from structural connectivity and spatial topology. These models reveal that microvascular structure variability explains a significant amount of variance in the FC measured by resting-state fMRI in both female and male FC datasets.

Contexte : La dextro-transposition des gros vaisseaux et la transposition congénitalement corrigée des gros vaisseaux sont des cardiopathies congénitales où le ventricule de morphologie droite est en position sous-aortique (VDs) ou systémique et le ventricule de morphologie gauche est en position sous-pulmonaire donc avec une physiologie biventriculaire. Chez les patients avec un VDs, la capacité maximale à l’effort cardiorespiratoire (CMC) est réduite pour une multitude de facteurs, dont une unique artère coronaire alimentant le VDs en oxygène, une incapacité d’augmenter le volume d’éjection systolique, et/ou une demande accrue en oxygène du VDs hypertrophié menant ultimement à l’ischémie à l’effort. Des études antérieures suggèrent que la CMC est diminuée chez les patients avec un VDs comparativement à celle des individus sains avec un ventricule de morphologie gauche en position sous-aortique (VGs). Aucune étude à ce jour n’a tenté d’apparier des patients avec un VDs à des patients avec un VGs pour les paramètres cliniques tels que la classe fonctionnelle de la NYHA, la fonction systolique similaire du ventricule systémique et la médication. Méthodes : Une étude transversale rétrospective a été réalisée en appariant 24 adultes avec un VDs à 24 adultes avec un VGs pour le sexe, l’âge, l’indice de masse corporelle, la fraction d’éjection du ventricule systémique (normal, légère, modérée, sévère), la classe NYHA (I, II, III) et la prise de diurétiques. La consommation d’oxygène pic (V̇O₂pic), le pourcentage prédit de la V̇O₂pic (% V̇O₂pic) et la pente ventilation/dioxyde de carbone (pente V̇E/V̇CO₂) ont été comparés à un test de Wilcoxon signé-rang. Une sous-analyse a été faite en dichotomisant les groupes selon le critère de Weber selon la CMC (VGs V̇O₂pic > OU ≤ 20 mL/kg/min). Résultats : Un total de 18/24 (75%) patients avaient une classe fonctionnelle NYHA II-III et 23 (96 %) présentaient une dysfonction de leur VDs avec une haute incidence de traitement pour l’insuffisance cardiaque. Contrairement à la littérature antérieure, la V̇O₂pic (VDs: 20.1 ± 4.4 vs. VGs: 20.2 ± 4.8 mL∙ kg-1 ∙ min-1, p=0.966, d=n/a), % V̇O₂pic (63 ± 16 vs 69±17 % p=0.207, d=0.35) et la pente V̇E/V̇CO₂ (29 ± 6 vs 30 ± 6 % p=0.422, d= n/a) ne différaient pas entre les groupes. Après dichotomisation, la V̇O₂pic était plus basse chez les VDs comparativement aux VGs avec une CMC optimale. À l’inverse, la V̇O₂pic était supérieure chez les VDs comparativement aux VGs dont la CMC étaient sous-optimale. Le % V̇O₂pic démontrait un patron similaire, alors que la pente V̇E/V̇CO₂ ne différait pas entre les deux sous-groupes. Conclusion: Pour des patients avec VDs et VGs à circulation biventriculaire appariée pour des caractéristiques cliniques similaire et démontrant un phénotype d’insuffisance cardiaque, aucune différence significative n’était présente au niveau de la CMC. Une analyse plus approfondie suggère la présence de mécanismes physiologiques spécifiques au type de ventricule en position systémique. / Background: Dextro transposition of the great arteries or congenitally corrected transposition of the great arteries are congenital cardiopathies where the morphological right ventricle is in the sub-aortic position (sRV) or systemic and the morphological left ventricle is in the sub-pulmonary position (sRV), thus in bi-ventricular circulation. Cardiorespiratory fitness (CRF) in those patients is reduced by multiple factors including a unique coronary artery, the incapacity to increase stroke volume, and/or an acute oxygen demand caused by the hypertrophied sRV leading ultimately to ischemia. Past studies suggested that CRF is diminished in patients with sRV compared to healthy patients with sLV. No study to date has attempted to match patients with sRV to patients with slV for clinicals parameters as NYHA functional classification, similar function of the systemic ventricle, and medication. Methods: A retrospective cross-sectional study was performed by matching 24 adults with a sRV to 24 adults with a sLV matched for sex, age, body mass index, ejection fraction of the systemic ventricle (normal, mild, moderate, severe), NYHA class (I, II, III), and doses of diuretics. Peak oxygen consumption (V̇O₂peak), percentage predicted of V̇O₂peak (% V̇O₂peak), and ventilation/carbon dioxide production slope (V̇E/V̇CO₂ slope) were compared with a Wilcoxon signed-rank test. A sub-analysis was made by dichotomizing groups according to Weber’s criterion for CRF (sLV V̇O₂peak > OR ≤ 20 mL/kg/min). Results: A total of 18/24 (75%) matched paired were classified as NYHA functional class II-III and 23 (96%) presented a systemic ventricle dysfunction with higher incidence of heart failure treatment. V̇O₂peak (sRV: 20.1 ± 4.4 vs. sLV: 20.2 ± 4.8 mL/kg/min, p=0.966, d=n/a), % V̇O₂peak (63±16 vs 69±17 % p=0.207, d=0.35) and V̇E/V̇CO₂ slope (29±6 vs 30±6 % p=0.422, d= n/a) did not differ between groups. After dichotomization, V̇O₂peak was lower in sRV in those with optimal CRF. Oppositely, V̇O₂peak was greater in sRV in those with suboptimal CRF. The % V̇O₂peak displayed similar patterns, whereas V̇E/V̇CO₂ slope did not differ between sub-groups. 6 Conclusion: No significant differences in CRF were reported when comparing sRV and sLV biventricular physiology after matching the clinical characteristics within a cohort with heart failure phenotype but detailed analyses suggest specific physiological adaptive mechanisms.

Toward the objective to create or to replace impaired tissues, it is essential to establish a culture process allowing tissue growth in vitro . The Petri dish culture or the traditional 2D culture has only a limited potential, mainly caused by a poor oxygen mass transfer to feed larger tissue constructs. In this project, an autonomous and complete bioprocess has been built to fullfill these needs. The developed reactor is versatile because many cell culture chamber designs can be connected to it. Two proportional-integral algorithms (PI) can control the dissolved oxygen concentration and the pH. The pressure, the temperature and mass flow rate are recorded in real time. An actuator allows mimicking the cardiac output flow. In this mémoire , it will be demonstrated how the reactor has been optimized to reduce the risk of bioburden. Also, the procedures to develop the control tools of the PI algorithm will be detailed. To characterize the reactor, a RTD study will be presented. To characterize the cell culture chamber, a permeability analysis using fluorescent microscopy and magnetic resonance imaging (MRI) will be exposed. Finally, two cell culture chamber designs to orient microvessel formation have been tested and these results will be presented.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.