La sténose aortique (SA) est la maladie valvulaire la plus importante des pays industrialisés et la troisième en importance au niveau des maladies cardiovasculaires. Cette maladie dégénérative entraîne un épaississement des feuillets valvulaires menant, dans certains cas, à la calcification de ceux-ci. Malheureusement, dans les débuts de la maladie, les effets néfastes de ces modifications sur la valve sont asymptomatiques et lorsque le diagnostic est posé, en raison des symptômes, il ne reste souvent qu'un traitement possible : le remplacement valvulaire. Plusieurs études sont aujourd'hui centrées sur la pathogénèse de la SA, mais très peu d'entre elles se sont intéressées à investiguer pourquoi la valve aortique (VA), parmi les quatre valves cardiaques, est celle qui se calcifié le plus rapidement. Cette étude cherche donc à identifier des différences entre la VA normale et les trois aux autres valves, pouvant expliquer sa propension à calcifier

Cette thèse traite plusieurs aspects scientifiques inhérents à la simulation numérique de problèmes d'interaction fluide-structure impliquant de fines membranes déformables. Deux cas spécifiques relatifs à la biomécanique cardiovasculaire sont considérés : l'interaction de l'écoulement sanguin avec la valve aortique (qui se produit à l'échelle macroscopique), et l'interaction de la membrane des globules rouges avec ses fluides interne et externe (qui se produit à l'échelle microscopique). Dans les deux cas, le couplage fluide-structure est géré par l'intermédiaire d'un formalisme de frontières immergées, en représentant la membrane par un maillage Lagrangien se mouvant au travers d'un maillage fluide Eulérien. Lorsque l'on traite la dynamique des globules rouges, la membrane est considérée comme étant une structure sans masse et infiniment fine. La première question à laquelle on s'intéresse dans cette thèse est la manière de modéliser la microstructure complexe de la membrane des globules rouges. Un moyen possible pour caractériser un modèle de membrane adapté est de simuler l'expérience des pinces optiques, qui consiste en une configuration expérimentale bien contrôlée qui permet d'étudier la mécanique individuelle d'un globule rouge isolé dans une large gamme de déformations. Plusieurs modèles pertinents sont identifiés, mais les caractéristiques de déformation mesurées durant l'expérience des pinces optiques se révèlent n'être pas assez sélectives pour être utilisées dans un contexte de validation. Des mesures de déformation additionnelles sont proposées, qui pourraient permettre une meilleure caractérisation de la mécanique de la membrane des globules rouges. En ce qui concerne les configurations macroscopiques, une méthode numérique innovante est proposée afin de gérer des simulations numériques de membranes 3D continues, en conservant le formalisme de frontières immergées. Dans cette méthode, appelée méthode des frontières immergées épaisses, la membrane a une épaisseur finie. La précision et la robustesse de la méthode sont démontrées par l'intermédiaire d'une variété de cas tests bien choisis. La méthode proposée est ensuite appliquée à un problème d'interaction fluide-structure réaliste, à savoir l'interaction d'un écoulement (sanguin) pulsé avec une valve aortique biomimétique. Une étude combinée expérimentale et numérique est menée, montrant que la méthode est capable de capturer la dynamique globale de la valve, ainsi que les principales caractéristiques de l'écoulement en aval de la valve. Tous les développements ont été effectués dans le solveur YALES2BIO (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) développé à l'IMAG, qui est donc disponible pour toutes autres améliorations, validations et études applicatives. / This thesis deals with several scientific aspects inherent to the numerical simulation of fluid-structure interaction problems involving thin deformable membranes. Two specific cases relevant to cardiovascular biomechanics are considered: the interaction of the blood flow with the aortic valve (which occurs at the macroscopic scale), and the interaction of the red blood cells membrane with its inner and outer fluids (which occurs at the microscopic scale). In both cases, the fluid-structure interaction coupling is handled using an immersed boundary formalism, representing the membrane by a Lagrangian mesh moving through an Eulerian fluid mesh.When dealing with red blood cells dynamics, the membrane is considered to be an infinitely thin and massless structure. The first question which is addressed in the present thesis work is how to model the complex microstructure of the red blood cells membrane. A possible way to characterize a suitable membrane model is to simulate the optical tweezers experiment, which is a well-controlled experimental configuration enabling to study the individual mechanics of an isolated red blood cell in a large range of deformation. Some relevant membrane models are identified, but the deformation characteristics measured during the optical tweezers experiment reveal to be not selective enough to be used in a validation context. Additional deformation measurements are proposed, which could allow a better characterization of the red blood cell membrane mechanics.Regarding the macroscopic configurations, an innovative numerical method is proposed to handle numerical simulations of 3D continuum membranes, still within the immersed boundary formalism. In this method, called immersed thick boundary method, the membrane has a finite thickness. The accuracy and robustness of the method are demonstrated through a variety of well-chosen test cases. Then, the proposed method is applied to a realistic fluid-structure interaction problem, namely the interaction of a pulsatile (blood) flow with a biomimetic aortic valve. A combined experimental and numerical study is led, showing that the method is able to capture the global dynamics of the valve, as well as the main features of the flow downstream of the valve.All the developments were performed within the YALES2BIO solver (http://www.math.univ-montp2.fr/~yales2bio/) developed at IMAG, which is thus available for further improvements, validations and applicative studies.

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

Le syndrome de Marfan (MFS) est une maladie génétique rare. Les signes cliniques sont principalement squelettiques, oculaires et cardiovasculaires. Le premier gène identifié est FBN1. Une LSDB UMD créée en 1995 a permis de colliger les mutations identifiées chez les patients. D’autres gènes ont été identifiés comme causant des syndromes apparentés : FBN2, TGFBR1, TGFBR2, ACTA2, SMAD3, MYH11 et MYLK. Ma thèse avait pour but de mettre à jour ces différentes bases et de créer celles des nouveaux gènes. Les techniques de séquençage nouvelle génération dans la pratique clinique amènent des médecins non spécialistes à rapporter des variations secondaires dans ces gènes « actionable ». Il s’agit de la ressource la plus complète pour les cliniciens et les généticiens pour interpréter les variants associés au MFS et ses pathologies associées pour les variants primaires et secondaires.La bicuspidie de la valve aortique (2 feuillets au lieu de 3) est la malformation cardiovasculaire la plus fréquente touchant 0,6 à 2 % de la population. Ma thèse avait pour but d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans la BAV. Grâce à une cohorte de 200 patients, le gène HOXA1, un facteur de transcription, a pu être examiné de manière plus approfondie. Alors qu’il contient une répétition de 10 histidines, les individus hétérozygotes mutés en présentent 11. Mes études ont permis de démontrer l’imputabilité de cette mutation. Dans un second temps, un séquençage d’exomes entiers a permis de mettre en évidence de nouveaux variants prédits pathogènes. Ces données permettront de mieux comprendre le rôle physiologique d’HOXA1 et des nouveaux gènes candidats dans la pathogénèse de la BAV chez l’humain. / Marfan Syndrome is a rare genetic disorder. Clinical signs are mainly skeletal, ocular and cardiovascular. The first gene identified is FBN1. A LSDB UMD was created in 1995 to colligate all the mutations identified in. Thereafter, several others genes were identified involved in related disorders : FBN2, TGFBR1 and TGFBR2, ACTA2, SMAD3, MYH11 and MYLK. The objectives of my PhD were to update these databases and to create new ones for genes. Next generation sequencing in clinical practice leads non-specialized doctors to report pathogenic secondary variants in “actionable” genes. Our databases are the only resources providing access to the full spectrum of known pathogenic mutations with checked and interpreted data from many reference diagnostic laboratories and research centers worldwide, and the most comprehensive resources for clinicians and geneticists to interpret variations linked to Marfan syndrome and related disorders not only primary but also secondary variants.Bicuspid Aortic Valve is the most common cardiovascular malformation affecting 0.6-2% of the population (2 leaflets instead of 3). Thanks to a cohort of 200 BAV patients, HOXA1 gene, a transcription factor, has been screened. While HOXA1 contains a string of 10 histidine repeats, these individuals are heterozygous for an 11 histidine repeat variant. My studies showed the imputability of this mutation. In a second phase, whole exome sequencing allow us to highlight new variants predicted pathogenic. Studies are still ongoing to confirm their imputability. These data contribute to our better understanding of the physiological of HOXA1 and new candidate genes in the pathogenesis of BAV disease in humans.

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre de la navigation endovasculaire assistée par ordinateur. L’objectif principal est d’étudier et de proposer de nouvelles solutions pour la localisation et le suivi des dispositifs endovasculaires en mouvement par rapport aux structures anatomiques, considérées comme immobiles ou mobiles. Il s’agit à terme de faciliter le geste interventionnel, en maximisant la précision et la fiabilité des procédures, tout en minimisant le recours aux rayons X et au produit de contraste. Les travaux et résultats obtenus concernent : - L’étude d’approches de recalage permettant de fusionner des données 3D pré-opératoires décrivant les structures anatomiques et des données intra-opératoires de localisation 3D électromagnétique (positions d’un cathéter équipé d’un capteur magnétique en son extrémité). Dans le contexte du traitement des anévrismes aortiques abdominaux, deux méthodes de recalage ne nécessitant pas de marqueur externe et exploitant uniquement les trajectoires endovasculaires (avec hypothèse de correspondance totale ou partielle) ont été proposées. Les tests ont été réalisés sur fantôme physique. Bien que la précision de localisation des systèmes électromagnétiques soit encore limitée, ceux-ci pourraient être utilisés pour aider la navigation endovasculaire, comme par exemple, lors du cathétérisme d’artères collatérales. - L’élaboration d’une méthode de tracking des calcifications et de repères dans les séquences d’images fluoroscopiques, dans le contexte des procédures d’implantation endovasculaire de valve aortique (TAVI). Nous avons proposé une méthode de tracking par modèle d’apparence adaptatif (TMAA). L'approche a été évaluée sur 13 séquences fluoroscopiques dans le cadre des procédures TAVI valve native et 5 séquences fluoroscopiques dans le cadre des procédures TAVI valve-in-valve. Elle fournit une erreur de localisation moyenne inférieure à 1 mm et un temps de traitement de 32,23 ms/trame. L’évaluation de cette méthode et son application sur données patients ont permis de montrer la précision et la compatibilité du tracking avec une utilisation clinique. / This work is part of computer-assisted endovascular navigation. The aim of this thesis is to study and to propose new solutions for the localization and the tracking of moving endovascular devices within anatomical structures, which can be considered fixed or moving. The objective is to facilitate the endovascular intervention, by maximizing the accuracy and reliability of procedures, while minimizing the use of X-rays and contrast agents. The works concern : - The study of registration approaches to align pre-operative 3D data describing the anatomical structures and intra-operative 3D electromagnetic data (positions of a catheter equipped with a magnetic sensor at its tip). In the context of the treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA), two fiducial-free registration methods that exploit only the endovascular trajectories (with total or partial correspondence hypothesis) have been proposed. The tests were performed on an AAA phantom. Although the localization accuracy of electromagnetic systems is still limited, these could be used to assist endovascular navigation (e.g., catheterization of collateral arteries). - The elaboration of a method to track calcifications and markers in fluoroscopic sequences, in the context of transcatheter aortic valve implantation (TAVI) procedures. We proposed a method of tracking by adaptive appearance model (TMAA). The approach was evaluated on 13 fluoroscopic sequences as part of TAVI native valve procedures and 5 fluoroscopic sequences as part of TAVI valve-in-valve procedures. The average localization error was less than 1 mm and the average processing time was 32.23 ms/frame. The evaluation of this method and its application on patient data has made it possible to show the precision and the compatibility of the tracking with a clinical use.

Les maladies valvulaires constituent une cause importante de morbidité et de mortalité. Dans les pays industrialisés, l’insuffisance mitrale et la sténose aortique sont les pathologies valvulaires les plus fréquentes et leur prévalence augmentent avec l’âge. Étant donné l’augmentation de l’espérance de vie dans ces pays, la prévalence des valvulopathies dégénératives deviendra plus importante et aura un impact non négligeable sur la santé publique. Les avancées en chirurgie cardiaque ainsi que les nouvelles percées en cardiologie interventionnelle ont modifié considérablement la prise en charge des patients avec des valvulopathies en offrant des approches minimalement invasives, surtout pour les patients à haut risque chirurgical. Dans le cadre de ce mémoire, deux études rétrospectives de cohorte ont été réalisées. La première consiste à comparer les résultats postopératoires et sur trois ans de la chirurgie conventionnelle par rapport à la procédure transcathéter MitraClip chez 259 patients avec une insuffisance mitrale ischémique sévère. La deuxième étude compare les résultats postopératoires de trois approches de remplacement de la valve aortique, soit la sternotomie, la ministernotomie et la minithoracotomie. La première étude permet de conclure que la procédure MitraClip a un taux de mortalité postopératoire et sur 3 ans inférieur à celui de la chirurgie mais qu’elle est associée à un plus haut taux de récurrence de l’insuffisance mitrale après 3 ans. La deuxième étude démontre que les deux approches minimalement invasives, la ministernotomie et la mini-thoracotomie, ont un taux équivalent de mortalité intra-hospitalier à la sternotomie. La mini-thoracotomie est associée à moins de saignement périopératoire et moins de douleur au repos que la sternotomie. En conclusion, les approches minimalement invasives offrent une excellente alternative à la chirurgie conventionnelle dans le traitement de la maladie valvulaire. Les bénéfices cliniques sont d’autant plus évidents lorsque les patients sont adéquatement sélectionnés; d’où l’importance d’une ‘Heart Team’ qui collabore pour une meilleure prise en charge des patients. / Valvular heart disease is an important cause of morbidity and mortality. In western countries, mitral regurgitation and aortic stenosis are the most frequent valvular pathologies and their prevalence increases with age. With the increase in life expectancy in these countries, the prevalence of degenerative valve disease will increase with a significant burden on healthcare systems. Advances in cardiac surgery as well as new breakthroughs in interventional cardiology have considerably modified the management of patients with valvular disease, by offering minimally invasive approaches, especially for patients at high surgical risk. In this thesis, two retrospective cohort studies were carried out. The first compares the postoperative and 3 years outcomes of mitral valve surgery vs MitraClip, a transcatheter procedure, in 259 patients with severe ischemic mitral regurgitation. The second study compares the postoperative results of two minimally invasive techniques (ministernotomy and minithoracotomy) for aortic valve replacement to conventional sternotomy. In the first study, MitraClip procedure had lower postoperative and 3-year mortality rate than surgery, but it was associated with higher recurrence rate of mitral regurgitation after 3 years. The second study showed that the two minimally invasive approaches had similar intrahospital mortality rate to sternotomy. Minithoracotomy was associated with less perioperative bleeding and less pain at rest than sternotomy. In conclusion, minimally invasive approaches offer an excellent alternative to conventional surgery in the treatment of valvular disease. The clinical benefits are more highlighted when patients are properly selected; hence the importance of a "Heart Team" that collaborates for better patient care.

À l’heure actuelle, plusieurs centres de chirurgie cardiaque ont noté une augmentation du nombre de patients âgés orientés pour une chirurgie. Les baisses majeures de la natalité et de la mortalité dans tous les groupes d’âge ont contribué au vieillissement progressif des populations des pays industrialisés. Il est bien connu que la prévalence des pathologies cardiovasculaires augmente avec l’âge et fait en sorte que ce groupe de patients âgés soit à haut risque opératoire. Trois études ont été réalisées dans le cadre de ce travail dédié aux deux types de chirurgie les plus fréquemment pratiquées pour ce groupe de population : la chirurgie de la valve aortique et la chirurgie de revascularisation coronarienne. Le substitut valvulaire aortique idéal pour une personne âgée considérée à risque opératoire élevé suscite toujours un débat. Depuis quelques années, avec les progrès technologiques en chirurgie cardiaque, les valves sans suture (V-SS) en général et la Perceval en particulier, constituent une excellente alternative à la prothèse standard chez ce sous-groupe de patients. Tout en diminuant le temps opératoire, la Perceval ne compromet ni la qualité ni la sécurité de l’acte chirurgical et elle présente des bénéfices cliniques et hémodynamiques aussi bien à court et à long terme. Pour le démontrer nous vous présentons les résultats d’une étude de cohorte regroupant 215 patients consécutifs qui a permis d’évaluer l’efficacité et la durabilité de la Perceval. Notre étude se veut l’appui qui soutiendra la place et l’apport de la Perceval dans l’arsenal thérapeutique du remplacement valvulaire aortique (RVA). Comme toutes les bioprothèses, la Perceval est soumise à un risque faible, mais constant à long terme de dégénérescence structurale et qui pourrait éventuellement nécessiter une réintervention. Pour clarifier cette problématique, nous vous présentons une étude descriptive rapportant notre expérience dans la prise en charge de la détérioration structurale de la prothèse Perceval. De plus, cette étude a permis de mettre en lumière la complémentarité parfois inattendue (dans des conditions urgentes) de ces approches thérapeutiques ( TAVI et Perceval) chez les patients à risque élevé. De nos jours, un certain pourcentage des malades orientés vers une revascularisation chirurgicale présente une pathologie coronarienne assez diffuse et complexe qui peut compromettre la revascularisation coronarienne souhaitable. A cet effet, l’endartériectomie coronarienne (EC), une ancienne technique largement utilisée auparavant, puis délaissée par la suite, mérite d’être reconsidérée chez ces patients. La troisième étude présentée dans ce mémoire rapporte les résultats d’une cohorte de 147 patients atteints de maladie coronarienne diffuse. En plus d’être sécuritaire, notre étude documente la perméabilité à court et à moyen terme d’un sous groupe de patient étudié avec un angioscanner coronaire. / Currently, several cardiac surgery centers have noted an increase in the number of elderly patients referred for surgery. The major decline in birth rates and deaths in all age groups has contributed to the gradual aging of populations in industrialized countries. It is well known that the prevalence of cardiovascular pathologies increases with age and puts this group of elderly patients at high risk for surgery. Three studies were carried out as part of this work dedicated to the two types of surgery most frequently performed for this population group: aortic valve surgery and coronary revascularization surgery. The ideal aortic valve substitute for an elderly person considered to be at high operative risk is still a subject of debate. In recent years, with technological advances in cardiac surgery, sutureless valves (V-SS) in general and the Perceval in particular have been an excellent alternative to the standard prosthesis in this subgroup of patients. While reducing operating time, Perceval does not compromise the quality or safety of the surgical procedure and it offers clinical and hemodynamic benefits both in the short and long term. To demonstrate this, we present to you the results of a cohort study involving 215 consecutive patients which made it possible to evaluate the effectiveness and durability of Perceval. Our study is intended to support the place and contribution of Perceval in the therapeutic arsenal of aortic valve replacement (AVR). Like all bioprostheses, Perceval is subject to a low, but constant long-term risk of structural degeneration which may eventually require reoperation. To clarify this problem, we present to you a descriptive study reporting our experience in the management of structural deterioration of the Perceval prosthesis. In addition, this study shed light on the sometimes unexpected complementarity (in urgent conditions) of these therapeutic approaches (TAVI and Perceval) in high-risk patients. Nowadays, a certain percentage of patients referred for surgical revascularization present a fairly diffuse and complex coronary pathology which can compromise the desirable coronary revascularization. To this end, coronary endarterectomy (CE), an old technique widely used before, then abandoned thereafter, deserves to be reconsidered in these patients. The third study presented in this thesis reports the results of a cohort of 147 patients with diffuse coronary artery disease. In addition to being safe, our study documents the short- and medium-term patency of a subgroup of patients studied with a coronary CT angiography.

réalisé en cotutelle avec le Dr. Marie Kmita et Dr. Marco Horb / Chez l’humain, les maladies congénitales cardiaques (MCC) sont présentes chez 3-4% des nouveaux nés et sont une cause importante de mortalité infantile et de morbidité dans le monde. La majorité des MCCs implique les valves et les septums, qui proviennent des cellules endocardiques. Les valves aortiques bicuspides (VAB) sont la MCC la plus fréquente chez l’humain, avec un taux estimé de 1-2% dans la population. Cependant, les gènes et les mécanismes moléculaires qui causent cette malformation demeurent obscures. Le facteur de transcription GATA5 est exprimé dans les cellules et les coussins endocardiques de façon transitoire durant la septation et la formation des compartiments cardiaques. Chez le poisson zèbre, des mutations dans le gène Gata5 causent des malformations cardiaques sévères incluant l’absence de cellules endocardiques. In vitro, l’inhibition de Gata5 bloque la différentiation endocardique. Ces études suggéraient donc un rôle important de GATA5 dans la formation du cœur. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons analysé le rôle de GATA5 dans le développement du cœur en produisant des lignées de souris chez lesquelles le gène Gata5 était inactif soit dans toutes les cellules ou uniquement dans les cellules endocardiques. Les souris possédant 2 allèles mutées du gène Gata5 étaient viables mais plus de 26% des souris Gata5-/- ont développé des VABs. Par ailleurs, une incidence similaire de VABs a été obtenue chez les souris ayant une délétion spécifique de Gata5 des cellules endocardiques, obtenue en croisant les souris Gata5WT/Flox avec les souris transgéniques Tie2-Cre. Sur le plan mécanistique, une réduction significative de JAG1, un corécepteur pour Notch1, ainsi qu’une augmentation marquée de Rbj un répresseur de cette voie, ont été détectés chez les souris Gata5-/- et Tie2- cre+;Gata5Flox/Flox, suggérant qu’une dérégulation de la voie Notch dans les cellules endocardiques puisse être la cause des VABs. Ces résultats démontrent l’importance de GATA5 pour le développement endocardique et la formation de la valve aortique. De plus, ils identifient GATA5 comme gène candidat de MCCs chez l’humain. Environ 12-14% des MCCs sont causés par le développement anormal de la voie de chasse, menant aux malformations telles que la transposition des grandes artères, la tétralogie de Fallot ou le syndrome du ventricule droit à double issue. Des mutations dans Gata4 et Gata6 sont associés à des défauts de la voie de chasse, dans plusieurs espèces incluant l’humain. Nous avons examiné si GATA5 interagit avec GATA4 ou GATA6 dans le développement de la voie de chasse. Alors que les souris hétérozygotes pour Gata5, Gata4 ou Gata6 ont des défauts cardiaques subtiles et sont viables, les embryons Gata4+/-Gata5+/- et Gata5+/-Gata6+/- démontrent une létalité embryonnaire et périnatale due à des défauts cardiaques, tel qu’un ventricule droit à double issue et des défauts de septation ventriculaire. Ces résultats indiquent l'importance des interactions génétiques entre GATA5 et les autres facteurs GATA pour la rotation et l’alignement de la voie de chasse au cours du développement cardiaque et soulèvent la possibilité que des changements subtiles de l'activité de 2 facteurs GATA puissent mener à des MCCs chez l'humain. / Congenital heart defect (CHD) in humans occur in 3-4% of live birth and is a major cause of infant mortality and morbidity in the world. The majority of CHD involves the valves and septa, which originate from endocardial cells. Bicuspid aortic valve (BAV) is the most common CHD in humans with an estimated rate of 1-2% in the population. However, very few genes have been linked to this defect and the mechanisms underlying BAV formation remain undefined. GATA5, a member of the GATA family of transcription factors, is expressed in a spatial and temporal manner in the developing heart where it is predominantly found in endocardial cells and endocardial cushions (ECs) of the outflow tract (OFT) and atrioventricular canal between E9.5-E12.5 in the mouse. Mutations in the Gata5 gene in zebrafish (faust mutants) cause cardia bifida and lead to endocardial cell depletion. In vitro studies using antisense mRNA against Gata5 revealed a critical role for this gene in differentiation of endocardial cells. In the context of the present doctoral research project, we investigated the role of GATA5 in mammalian heart development by generating a mouse line with a null Gata5 allele. Gata5 null mice are viable but over 26% of them developed BAVs. Endocardial specific deletion of Gata5 obtained by crossing mice with floxed (Flox) Gata5 alleles with Tie2-cre transgenic mice resulted in a similar incidence of BAVs. RNA profiling revealed that Jag-1, a co-receptor for Notch1, is significantly downregulated in both Gata5 null and Tie2-cre+;Gata5Flox/Flox mice, suggesting that disruption of Notch signaling in endocardial cells may be the underlying mechanism of disease. These findings reveal an important function for GATA5 in endocardial cell development and aortic valve formation and identify GATA5 as an important candidate CHD causing gene. Abnormal development of the OFT accounts for about 12-14% of all CHDs, leading to malformations such as persistent truncus arteriosus (PTA), tetralogy of Fallot (TOF), double outlet right ventricle (DORV) and transposition of the great arteries (TGA). Both GATA4 and GATA6 play important role in OFT development. We tested whether GATA5 might interact genetically with GATA4 and GATA6 for proper heart morphogenesis. We found that, whereas mice lacking a single copy of Gata5, Gata4 or Gata6 have subtle cardiac defects, the Gata4+/-Gata5+/- and Gata5+/-Gata6+/- mutant embryos show embryonic and perinatal lethality due to severe heart defects, including double outlet right ventricle and ventricular septal defects. These findings reveal the importance of genetic interactions between GATA5 and the other cardiac GATA factors in the normal rotation and patterning of the OFT during heart development in vivo. The results raise the possibility that subtle alterations in the level or activity of 2 cardiac GATA factors might lead to congenital heart disease in human.

Chez l’humain, les maladies congénitales cardiaques (MCC) sont présentes chez 3-4% des nouveaux nés et sont une cause importante de mortalité infantile et de morbidité dans le monde. La majorité des MCCs implique les valves et les septums, qui proviennent des cellules endocardiques. Les valves aortiques bicuspides (VAB) sont la MCC la plus fréquente chez l’humain, avec un taux estimé de 1-2% dans la population. Cependant, les gènes et les mécanismes moléculaires qui causent cette malformation demeurent obscures. Le facteur de transcription GATA5 est exprimé dans les cellules et les coussins endocardiques de façon transitoire durant la septation et la formation des compartiments cardiaques. Chez le poisson zèbre, des mutations dans le gène Gata5 causent des malformations cardiaques sévères incluant l’absence de cellules endocardiques. In vitro, l’inhibition de Gata5 bloque la différentiation endocardique. Ces études suggéraient donc un rôle important de GATA5 dans la formation du cœur. Dans le cadre de ce projet de doctorat, nous avons analysé le rôle de GATA5 dans le développement du cœur en produisant des lignées de souris chez lesquelles le gène Gata5 était inactif soit dans toutes les cellules ou uniquement dans les cellules endocardiques. Les souris possédant 2 allèles mutées du gène Gata5 étaient viables mais plus de 26% des souris Gata5-/- ont développé des VABs. Par ailleurs, une incidence similaire de VABs a été obtenue chez les souris ayant une délétion spécifique de Gata5 des cellules endocardiques, obtenue en croisant les souris Gata5WT/Flox avec les souris transgéniques Tie2-Cre. Sur le plan mécanistique, une réduction significative de JAG1, un corécepteur pour Notch1, ainsi qu’une augmentation marquée de Rbj un répresseur de cette voie, ont été détectés chez les souris Gata5-/- et Tie2- cre+;Gata5Flox/Flox, suggérant qu’une dérégulation de la voie Notch dans les cellules endocardiques puisse être la cause des VABs. Ces résultats démontrent l’importance de GATA5 pour le développement endocardique et la formation de la valve aortique. De plus, ils identifient GATA5 comme gène candidat de MCCs chez l’humain. Environ 12-14% des MCCs sont causés par le développement anormal de la voie de chasse, menant aux malformations telles que la transposition des grandes artères, la tétralogie de Fallot ou le syndrome du ventricule droit à double issue. Des mutations dans Gata4 et Gata6 sont associés à des défauts de la voie de chasse, dans plusieurs espèces incluant l’humain. Nous avons examiné si GATA5 interagit avec GATA4 ou GATA6 dans le développement de la voie de chasse. Alors que les souris hétérozygotes pour Gata5, Gata4 ou Gata6 ont des défauts cardiaques subtiles et sont viables, les embryons Gata4+/-Gata5+/- et Gata5+/-Gata6+/- démontrent une létalité embryonnaire et périnatale due à des défauts cardiaques, tel qu’un ventricule droit à double issue et des défauts de septation ventriculaire. Ces résultats indiquent l'importance des interactions génétiques entre GATA5 et les autres facteurs GATA pour la rotation et l’alignement de la voie de chasse au cours du développement cardiaque et soulèvent la possibilité que des changements subtiles de l'activité de 2 facteurs GATA puissent mener à des MCCs chez l'humain. / Congenital heart defect (CHD) in humans occur in 3-4% of live birth and is a major cause of infant mortality and morbidity in the world. The majority of CHD involves the valves and septa, which originate from endocardial cells. Bicuspid aortic valve (BAV) is the most common CHD in humans with an estimated rate of 1-2% in the population. However, very few genes have been linked to this defect and the mechanisms underlying BAV formation remain undefined. GATA5, a member of the GATA family of transcription factors, is expressed in a spatial and temporal manner in the developing heart where it is predominantly found in endocardial cells and endocardial cushions (ECs) of the outflow tract (OFT) and atrioventricular canal between E9.5-E12.5 in the mouse. Mutations in the Gata5 gene in zebrafish (faust mutants) cause cardia bifida and lead to endocardial cell depletion. In vitro studies using antisense mRNA against Gata5 revealed a critical role for this gene in differentiation of endocardial cells. In the context of the present doctoral research project, we investigated the role of GATA5 in mammalian heart development by generating a mouse line with a null Gata5 allele. Gata5 null mice are viable but over 26% of them developed BAVs. Endocardial specific deletion of Gata5 obtained by crossing mice with floxed (Flox) Gata5 alleles with Tie2-cre transgenic mice resulted in a similar incidence of BAVs. RNA profiling revealed that Jag-1, a co-receptor for Notch1, is significantly downregulated in both Gata5 null and Tie2-cre+;Gata5Flox/Flox mice, suggesting that disruption of Notch signaling in endocardial cells may be the underlying mechanism of disease. These findings reveal an important function for GATA5 in endocardial cell development and aortic valve formation and identify GATA5 as an important candidate CHD causing gene. Abnormal development of the OFT accounts for about 12-14% of all CHDs, leading to malformations such as persistent truncus arteriosus (PTA), tetralogy of Fallot (TOF), double outlet right ventricle (DORV) and transposition of the great arteries (TGA). Both GATA4 and GATA6 play important role in OFT development. We tested whether GATA5 might interact genetically with GATA4 and GATA6 for proper heart morphogenesis. We found that, whereas mice lacking a single copy of Gata5, Gata4 or Gata6 have subtle cardiac defects, the Gata4+/-Gata5+/- and Gata5+/-Gata6+/- mutant embryos show embryonic and perinatal lethality due to severe heart defects, including double outlet right ventricle and ventricular septal defects. These findings reveal the importance of genetic interactions between GATA5 and the other cardiac GATA factors in the normal rotation and patterning of the OFT during heart development in vivo. The results raise the possibility that subtle alterations in the level or activity of 2 cardiac GATA factors might lead to congenital heart disease in human. / réalisé en cotutelle avec le Dr. Marie Kmita et Dr. Marco Horb

La valve aortique est une composante anatomique centrale du cœur, sujette à de hautes pressions. Les conséquences d’un dysfonctionnement sont graves, notamment l’insuffisance cardiaque qui elle-même peut causer plusieurs symptômes et un impact sur la qualité de vie. Pour prévenir cette complication, il est possible de remplacer la valve par une prothèse. Il en existe plusieurs types parmi lesquelles l’équipe chirurgicale et le patient peuvent choisir. Les dernières lignes directrices américaines n’ont pas de recommandations claires pour les patients entre 50 et 70 ans. Ces patients, âgés de 65 ans et moins et surnommés jeunes adultes dans notre étude, reçoivent de moins en moins de prothèses mécaniques, au profit de celles de type biologique. Ce mouvement semble fondé sur certaines études suggérant une survie comparable entre ces 2 alternatives. De plus, on déconseille souvent la valve mécanique car elle nécessite un traitement anticoagulant à vie. Or, peu d’études ont suivi à long terme ces patients plus jeunes en analysant l’impact sur la qualité de vie du traitement anticoagulant ainsi que le risque de saignement. Notre étude visait donc surtout à analyser l’incidence, la sévérité et l’impact de ces saignements majeurs et la qualité de vie suite à un remplacement de valve aortique chez ces patients. Après un suivi moyen de 11 ans, les résultats suggèrent un taux incident de saignement majeur de 0.8% par patient-année et la mortalité associée à ceux-ci est faible à 3.3%, soit 2 hémorragies intracrâniennes. En tout, 48 patients ont eu un saignement majeur (8.9%). D’un autre côté, l’impact sur la qualité de vie obtenu par un questionnaire spécifique aux valves est faible. En outre, seulement 10.5% des patients utilisaient l’automesure pour surveiller leur anticoagulation, suggérant beaucoup de place à l’amélioration à ce niveau. Cette étude permet donc de mieux orienter la prise de décision au moment de la chirurgie et mieux informer les patients. / The aortic valve is a central component of the heart, experiencing high strain. The consequences of any dysfunctions are usually important, notably heart failure, which in itself is associated with many symptoms and lower quality of life. To prevent this complication, it is possible to replace the valve with a prosthesis. There are many options for the surgeon’s team and the patient to choose from. The latest American guidelines do not have clear recommendations for patients aged between 50 and 70 years. These patients aged 65 years and less, categorized as non-elderly adults, are receiving less and less mechanical prosthesis in profit of the biological ones. This trend seems to be based in part on some studies suggesting comparable survival between these alternatives. Moreover, the mechanical valve is frequently not recommended because it necessitates a lifelong anticoagulant treatment. However, few studies have reported a long-term follow-up of these younger patients analyzing the impact on the quality of life and the risk of major bleeding. The goal of our study was to analyze the incidence, severity and impact of major bleedings and the quality of life after aortic valve replacement in these patients. After a mean follow-up of 11 years, results show a linearized rate of 0.8% per patient-year and the associated mortality is low at 3.3%, consisting of 2 intracranial hemorrhages. Overall, 48 patients experienced a major bleeding (8.9%). On the other hand, the impact on the quality of life measured with a valve-specific questionnaire is low. Also, only 10.5% of the patients were using self-management or self-medication to monitor their anticoagulation, suggesting a lot of room for improvement in this regard. This study helps better define long-term outcomes in this patient population in order to better inform patients about surgical options.