L’hypertrophie du ventricule gauche (HVG) est un processus adaptif et compensatoire qui se développe conséquemment à l’hypertension artérielle pour s’opposer à l’élévation chronique de la pression artérielle. L’HVG est caractérisée par une hypertrophie des cardiomyocytes suite à l’augmentation de la synthèse d’ADN, une prolifération des fibroblastes, une augmentation du dépôt de collagène et une altération de la matrice extracellulaire (MEC). Ces changements génèrent des troubles de relaxation et mènent au dysfonctionnement diastolique, ce qui diminue la performance cardiaque. La suractivité du système nerveux sympathique (SNS) joue un rôle essentiel dans le développement de l’hypertension artérielle et de l’HVG à cause de la libération excessive des catécholamines et de leurs effets sur la sécrétion des cytokines pro-inflammatoires et sur les différentes voies de signalisation hypertrophiques et prolifératives. Le traitement antihypertenseur avec de la moxonidine, un composé sympatholytique d’action centrale, permet une régression de l’HVG suite à une réduction soutenue de la synthèse d'ADN et d’une stimulation transitoire de la fragmentation de l'ADN qui se produit au début du traitement. En raison de l’interaction entre l’HVG, les cytokines inflammatoires, le SNS et leurs effets sur les protéines de signalisation hypertrophiques, l’objectif de cette étude est de détecter dans un modèle animal d’hypertension artérielle et d’HVG, les différentes voies de signalisation associées à la régression de l’HVG et à la performance cardiaque. Des rats spontanément hypertendus (SHR, 12 semaines) ont reçu de la moxonidine à 0, 100 et 400 µg/kg/h, pour une période de 1 et 4 semaines, via des mini-pompes osmotiques implantées d’une façon sous-cutanée. Après 4 semaines de traitement, la performance cardiaque a été mesurée par écho-doppler. Les rats ont ensuite été euthanasiés, le sang a été recueilli pour mesurer les concentrations des cytokines plasmatiques et les cœurs ont été prélevés pour la détermination histologique du dépôt de collagène et de l'expression des protéines de signalisation dans le ventricule gauche. Le traitement de 4 semaines n’a eu aucun effet sur les paramètres systoliques mais a permis d’améliorer les paramètres diastoliques ainsi que la performance cardiaque globale. Par rapport au véhicule, la moxonidine (400 µg/kg/h) a permis d’augmenter transitoirement la concentration plasmatique de l’IL-1β après une semaine et de réduire la masse ventriculaire gauche. De même, on a observé une diminution du dépôt de collagène et des concentrations plasmatiques des cytokines IL-6 et TNF-α, ainsi qu’une diminution de la phosphorylation de p38 et d’Akt dans le ventricule gauche après 1 et 4 semaines de traitement, et cela avec une réduction de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque. Fait intéressant, les effets anti-hypertrophiques, anti-fibrotiques et anti-inflammatoires de la moxonidine ont pu être observés avec la dose sous-hypotensive (100 µg/kg/h). Ces résultats suggèrent des effets cardiovasculaires bénéfiques de la moxonidine associés à une amélioration de la performance cardiaque, une régulation de l'inflammation en diminuant les niveaux plasmatiques des cytokines pro-inflammatoires ainsi qu’en inhibant la MAPK p38 et Akt, et nous permettent de suggérer que, outre l'inhibition du SNS, moxonidine peut agir sur des sites périphériques. / Left ventricular hypertrophy (LVH) is an adaptive and compensatory process that develops in hypertension to oppose the chronic elevation of blood pressure. LVH is characterized by hypertrophy of cardiomyocytes following the increase in DNA synthesis, proliferation of fibroblasts, increased collagen deposition and alteration of the extracellular matrix (ECM). These changes generate relaxation and diastolic dysfunction which reduced cardiac performance. The overactivity of the sympathetic nervous system plays an essential role in the development of hypertension and left ventricular hypertrophy pathogenesis due to the excessive release of catecholamines and norepinephrine spillover and their effects on the secretion of pro-inflammatory cytokines and hypertrophic signaling pathways. Antihypertensive treatment with moxonidine, a centrally acting sympatholytic imidazoline compound, results in prevention of left ventricular hypertrophy, resulting from a sustained reduction of DNA synthesis and transient stimulation of DNA fragmentation that occur early after treatment. Due to the interaction between LVH, inflammatory cytokines, the SNS and their effects on hypertrophic signaling proteins, the objective of this study is to detect in an animal model of hypertension and LVH, the different signaling pathways associated with regression of LVH and cardiac performance. Spontaneously hypertensive rats (SHR, 12 weeks old) received moxonidine at 0, 100 and 400 µg/kg/h, for 1 and 4 weeks, via subcutaneously implanted osmotic minipumps. After 4 weeks of treatment, cardiac performance was measured by echo-Doppler. Then the rats were euthanized, blood was collected for measurement of plasma cytokines and hearts for histologic determination of collagen deposition and for measurement of left ventricular expression of downstream signaling proteins. Treatment for 4 weeks had no effect on systolic parameters but improved diastolic parameters and global cardiac performance. Compared to vehicle, moxonidine (400 µg/kg/h) transiently increased plasma IL-1β after 1 week and reduced left ventricular mass. Similarly, there was a decrease in collagen deposition and plasma concentrations of IL-6 and TNF-α, and decreased phosphorylation of p38 and Akt in the left ventricle after 1 and 4 weeks treatment, in association with reduced blood pressure and heart rate. Interestingly, the anti-hypertrophic, anti-fibrotic, and anti-inflammatory effects of moxonidine were observed with a sub-hypotensive dose (100µg/kg/h). These results suggest the beneficial cardiovascular effects of moxonidine associated with improved cardiac performance, regulation of inflammation by decreasing pro-inflammatory plasma levels, inhibition of p38 MAPK and Akt, and allow us to suggest that besides inhibiting the SNS, moxonidine may act on peripheral sites.

La moxonidine, un médicament antihypertenseur sympatholytique de type imidazolinique, agit au niveau de la médulla du tronc cérébral pour diminuer la pression artérielle, suite à l’activation sélective du récepteur aux imidazolines I1 (récepteur I1, aussi nommé nischarine). Traitement avec de la moxonidine prévient le développement de l’hypertrophie du ventricule gauche chez des rats hypertendus (SHR), associé à une diminution de la synthèse et une élévation transitoire de la fragmentation d’ADN, des effets antiprolifératifs et apoptotiques. Ces effets se présentent probablement chez les fibroblastes, car l’apoptose des cardiomyocytes pourrait détériorer la fonction cardiaque. Ces effets apparaissent aussi avec des doses non hypotensives de moxonidine, suggérant l’existence d’effets cardiaques directes. Le récepteur I1 se trouvé aussi dans les tissus cardiaques; son activation ex vivo par la moxonidine stimule la libération de l’ANP, ce qui montre que les récepteurs I1 cardiaques sont fonctionnels malgré l’absence de stimulation centrale. Sur la base de ces informations, en plus du i) rôle des peptides natriurétiques comme inhibiteurs de l’apoptose cardiaque et ii) des études qui lient le récepteur I1 avec la maintenance de la matrix extracellulaire, on propose que, à part les effets sympatholytiques centrales, les récepteurs I1 cardiaques peuvent contrôler la croissance-mort cellulaire. L’activation du récepteur I1 peut retarder la progression des cardiopathies vers la défaillance cardiaque, en inhibant des signaux mal adaptatifs de prolifération et apoptose. Des études ont été effectuées pour : 1. Explorer les effets in vivo sur la structure et la fonction cardiaque suite au traitement avec moxonidine chez le SHR et le hamster cardiomyopathique. 2. Définir les voies de signalisation impliquées dans les changements secondaires au traitement avec moxonidine, spécifiquement sur les marqueurs inflammatoires et les voies de signalisation régulant la croissance et la survie cellulaire (MAPK et Akt). 3. Explorer les effets in vitro de la surexpression et l’activation du récepteur I1 sur la survie cellulaire dans des cellules HEK293. 4. Rechercher la localisation, régulation et implication dans la croissance-mort cellulaire du récepteur I1 in vitro (cardiomyocytes et fibroblastes), en réponse aux stimuli associés au remodelage cardiaque : norépinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α) et oxydants (H2O2). Nos études démontrent que la moxonidine, en doses hypotensives et non-hypotensives, améliore la structure et la performance cardiaque chez le SHR par des mécanismes impliquant l’inhibition des cytokines et des voies de signalisation p38 MAPK et Akt. Chez le hamster cardiomyopathique, la moxonidine améliore la fonction cardiaque, module la réponse inflammatoire/anti-inflammatoire et atténue la mort cellulaire et la fibrose cardiaque. Les cellules HEK293 surexprimant la nischarine survivent et prolifèrent plus en réponse à la moxonidine; cet effet est associé à l’inhibition des voies ERK, JNK et p38 MAPK. La surexpression de la nischarine protège aussi de la mort cellulaire induite par le TNF-α, l’IL-1β et le H2O2. En outre, le récepteur I1 s’exprime dans les cardiomyocytes et fibroblastes, son activation inhibe la mort des cardiomyocytes et la prolifération des fibroblastes induite par la norépinephrine, par des effets différentiels sur les MAPK et l’Akt. Dans des conditions inflammatoires, la moxonidine/récepteur aux imidazolines I1 protège les cardiomyocytes et facilite l’élimination des myofibroblastes par des effets contraires sur JNK, p38 MAPK et iNOS. Ces études démontrent le potentiel du récepteur I1/nischarine comme cible anti-hypertrophique et anti-fibrose à niveau cardiaque. L’identification des mécanismes cardioprotecteurs de la nischarine peut amener au développement des traitements basés sur la surexpression de la nischarine chez des patients avec hypertrophie ventriculaire. Finalement, même si l’effet antihypertenseur des agonistes du récepteur I1 centraux est salutaire, le développement de nouveaux agonistes cardiosélectifs du récepteur I1 pourrait donner des bénéfices additionnels chez des patients non hypertendus. / Moxonidine, an antihypertensive sympatholytic imidazoline compound, reduces blood pressure by selective activation of non-adrenergic imidazoline I1-receptors (also known as nischarin) in brainstem medulla. Moxonidine prevents left ventricular hypertrophy development in hypertensive rats, associated with reduced cardiac DNA synthesis and early transient increase in DNA fragmentation. It is likely that the anti-proliferative and apoptotic effects occur in fibroblasts, as cardiomyocyte apoptosis may deteriorate cardiac function. The effects also occurred to sub-hypotensive doses, suggesting a blood-pressure-independent mechanism and pointing to a local cardiac action. Imidazoline I1-receptors have been identified in cardiac tissues, and their ex vivo activation by moxonidine stimulates ANP release, demonstrating that cardiac imidazoline I1-receptors are functional without the contribution of the central nervous system. Based on the above studies and on i) the role of natriuretic peptides in inhibition of myocardial cell apoptosis and ii) studies linking imidazoline I1-receptors to the maintenance of the extracellular matrix and PC12 cell survival, we propose that apart from centrally-mediated sympatholytic function, imidazoline I1-receptors in the heart may control cell growth and death. Activation of imidazoline receptors may delay the progression of cardiac pathologies into heart failure by inhibition of maladaptive proliferative signalling and downstream apoptotic pathways. In order to test this hypothesis studies were performed to: 1. Explore the in vivo effects of moxonidine on cardiac structure and function in SHR and cardiomyopathic hamsters. 2. Define the pathways involved in the observed changes following moxonidine treatment, specifically, on inflammatory markers and pathways involved in LVH and cardiac cell survival/death (MAPK and Akt). 3. Explore in vitro the effect of imidazoline I1-receptor activation by moxonidine, on cell survival by over-expressing nischarin in HEK293 cells, to circumvent the lack of specific imidazoline I1-receptor agonists and antagonists. 4. Investigate in vitro, imidazoline I1-receptor localization (cardiomyocytes and fibroblasts), regulation and implication in cell growth/death in response to cardiac remodelling-associated stimuli: norepinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α), and oxidants (H2O2). The studies reveal that hypotensive and sub-hypotensive concentrations of moxonidine improve cardiac structure and performance in SHR by mechanisms that involve inhibition of cytokines, p38MAPK, and Akt signalling pathways. In cardiomyopathic hamsters moxonidine improves cardiac performance, in association with differential inflammatory/anti-inflammatory responses that culminate in attenuated cardiomyocyte death and fibrosis and altered collagen type expression. HEK293 cells, transfected with nischarin cDNA, show increased viability/proliferation in response to moxonidine. The overall survival response is associated with moxonidine’s inhibition of ERK, JNK, and p38MAPK. Nischarin also opposes the reduced cell viability in response to oxidative stimuli (TNF-α, IL-1β and H2O2), with differential responses to moxonidine. Furthermore, the imidazoline I1-receptor is expressed in cardiac fibroblasts and myocytes and its activation inhibits norepinephrine-induced cardiomyocyte death and fibroblast proliferation, through differential effects on MAPKs and Akt. Moxonidine/imidazoline I1-receptor protects cardiomyocytes and facilitates elimination of myofibroblasts in inflammatory conditions, through opposite effects on JNK, p38MAPK and iNOS activity. These studies emphasize the potential importance of imidazoline I1-receptor/nischarin as an anti-hypertrophic and anti-fibrotic target. Identification of the cardio-protective mechanisms of cardiac nischarin could result in specifically-tailored cell/gene-driven nischarin treatments, which could be important for patients with heart disease. Also, while the antihypertensive action of centrally acting compounds is appreciated, new cardiac-selective I1-receptor agonists may confer additional benefit.

La fraction d’éjection du ventricule gauche est un excellent marqueur de la fonction cardiaque. Plusieurs techniques invasives ou non sont utilisées pour son calcul : l’angiographie, l’échocardiographie, la résonnance magnétique nucléaire cardiaque, le scanner cardiaque, la ventriculographie radioisotopique et l’étude de perfusion myocardique en médecine nucléaire. Plus de 40 ans de publications scientifiques encensent la ventriculographie radioisotopique pour sa rapidité d’exécution, sa disponibilité, son faible coût et sa reproductibilité intra-observateur et inter-observateur. La fraction d’éjection du ventricule gauche a été calculée chez 47 patients à deux reprises, par deux technologues, sur deux acquisitions distinctes selon trois méthodes : manuelle, automatique et semi-automatique. Les méthodes automatique et semi-automatique montrent dans l’ensemble une meilleure reproductibilité, une plus petite erreur standard de mesure et une plus petite différence minimale détectable. La méthode manuelle quant à elle fournit un résultat systématiquement et significativement inférieur aux deux autres méthodes. C’est la seule technique qui a montré une différence significative lors de l’analyse intra-observateur. Son erreur standard de mesure est de 40 à 50 % plus importante qu’avec les autres techniques, tout comme l’est sa différence minimale détectable. Bien que les trois méthodes soient d’excellentes techniques reproductibles pour l’évaluation de la fraction d’éjection du ventricule gauche, les estimations de la fiabilité des méthodes automatique et semi-automatique sont supérieures à celles de la méthode manuelle. / Left ventricular ejection fraction is an excellent indicator of cardiac function. Many invasive and non-invasive techniques can be used for its assessment: angiography, echocardiography, cardiac MRI, computed tomography of the heart, multigated radionuclide angiography and myocardial perfusion imaging. More than 40 years of scientific publication praise the multigated radionuclide angiography for its execution speed, its availability, its low cost and intrarater and interrater reproducibility. The left ventricular ejection fraction was calculated twice for 47 patients, using two raw data acquisitions, two technologists and three software platforms: one fully manual, one semi-automatic and one fully automatic. In general, the automatic and semi-automatic methods showed greater reproducibility, a smaller standard error of measurement and minimal detectable change than the manual method, whereas the manual method systematically gave a significantly lower quality of result. It was the only technique that showed significant intrarater difference, and its standard error of measurement and minimal detectable change were 40% to 50% higher than those of automatic and semi-automatic methods. Even though all three techniques are all excellent and reliable options, reliability coefficient estimations were superior using automatic and semi-automatic methods as compared to the manual method.

Contexte : Le tissu biologique mou présente une organisation structurelle extrêmement complexe et est le siège de nombreux phénomènes d'échanges. De nombreuses applications s'étendant du diagnostic clinique à l'ingénierie tissulaire nécessitent la connaissance du comportement mécanique du tissu. A cette fin, de nombreuses approches plus ou moins satisfaisantes sont développées. Elles s'efforcent toutes de tenir compte de manière plus ou moins systématique de la microstructure du milieu. La considération du tissu biologique comme un milieu micromorphe donne des résultats probants dans sa particularisation au milieu micropolaire appliquée au tissu osseux. Il est donc fort probable que des résultats du genre soient obtenus pour d'autres tissus. Notre travail était orienté vers le tissu cardiaque et la problématique de l'infarctus ischémique. Dans ce contexte, il nous a semblé que la particularisation de comportement la mieux adaptée est celle d'un milieu à microdilatation. Travail réalisé : Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est essentiellement numérique. Il a pour objectif de mettre en lumière les particularités de la réponse à une sollicitation extérieure d'un échantillon de milieu à microdilatation. Cette étape est essentielle pour l'analyse future des résultats d'expériences qui seront menées. Il a également pour objectif d'étudier les potentialités du modèle vis-à-vis du tissu cardiaque en considérant l'infarctus ischémique et la perte associée de la capacité d'éjection de volume sanguin. Les outils numériques d'analyse de tels milieux sont en plein développement. Il nous a fallu développer notre propre outil basé sur la LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Du fait de la similitude des équations de champs associées, la validité de la stratégie numérique mise en oeuvre est testée sur le cas d'un matériau piézoélectrique. Ce choix n'est pas innocent car, dans l'avenir la considération du milieu piézoélectrique à microdilatation permettra d'analyser le cas d'une sollicitation électrique du tissu. Les détails de cette stratégie numérique originale sont consignés dans le chapitre 2 du mémoire. Le chapitre 3 est consacré à l'analyse de la robustesse de la méthode et aux particularités de la réponse d'un milieu à microdilatation. Le quatrième chapitre est consacré à l'application au tissu cardiaque. En se limitant au cas de petites déformations, on montre que le modèle est bien adapté à la représentation du comportement du tissu cardiaque. En effet, assimilant le ventricule gauche à une structure tubulaire, la fraction d'éjection du ventricule gauche (critère clinique d'insuffisance cardiaque) est fortement diminuée en présence d'une zone infarcie. Cette dernière est modélisée comme une région à frontière diffuse où les points matériels ont perdu leur capacité de « respirer ». Ces résultats sont prometteurs. Ils encouragent à poursuivre dans cette voie en prenant en compte le caractère anisotrope du tissu et en se plaçant dans le cadre des grandes déformations / Background: A soft biological tissue is subjected to numerous exchange phenomena and has an extremely complex structural organization. The knowledge of its mechanical behavior is required in many applications ranging from clinical diagnostic to tissue engineering. To achieve this goal, more or less satisfactory approaches are developed. They all seek to take into account in a more or less systematic manner the microstructure of the medium. Assuming that the biological tissue is a particular micromorphic medium (micropolar medium) leads to good results in the case bone tissue. It is therefore likely that the results of this kind will be obtained for other tissues. Our interest is on the heart tissue and the problem of ischemic heart attack. In this context, it seemed that the most appropriate behavior particularization is that of a microdilatation medium. Work done: The work presented in this thesis is essentially numerical. It aims to highlight the features of the response of microdilatation medium to an external mechanical load. This step is essential for the analysis of the experimental results to be conducted in the future. The work also aims to investigate the potentialities of the model with respect to the heart tissue regarding heart attack and the associated loss of the ability to eject sufficient blood volume. The numerical tools for the analysis of such media are in increasing development. We had to develop our own tool based on the LPI-BEM (Local Point Interpolation - Boundary Element Method). Because of the similarity of the associated field equations, the validity of the numerical strategy is assessed in the case of a piezoelectric material. This choice is not innocent because the piezoelectric medium with microdilatation will allow analyzing the case of an electrical solicitation of the tissue. The details of this original numerical approach are given in Chapter 2 of the thesis. Chapter 3 is devoted to the analysis of the robustness of the method and to the peculiarities of the response of a microdilatation medium. The fourth chapter is devoted to the application to the cardiac tissue. By limiting the study to the case of small strains, it is shown that the model is well suited to the representation of the behavior of cardiac tissue. Indeed, considering the left ventricle as a tubular structure, the left ventricle ejection fraction (clinical criterion of the heart failure) is greatly reduced in the presence of an infarcted area. The latter is modeled as a zone with diffuse boundary where the material points have lost their ability to "breath". These results are promising and encourage further investigations in this direction by taking into account the anisotropic nature of the tissue in a geometrically nonlinear context

L’hypertrophie du ventricule gauche (HVG) est un processus adaptif et compensatoire qui se développe conséquemment à l’hypertension artérielle pour s’opposer à l’élévation chronique de la pression artérielle. L’HVG est caractérisée par une hypertrophie des cardiomyocytes suite à l’augmentation de la synthèse d’ADN, une prolifération des fibroblastes, une augmentation du dépôt de collagène et une altération de la matrice extracellulaire (MEC). Ces changements génèrent des troubles de relaxation et mènent au dysfonctionnement diastolique, ce qui diminue la performance cardiaque. La suractivité du système nerveux sympathique (SNS) joue un rôle essentiel dans le développement de l’hypertension artérielle et de l’HVG à cause de la libération excessive des catécholamines et de leurs effets sur la sécrétion des cytokines pro-inflammatoires et sur les différentes voies de signalisation hypertrophiques et prolifératives. Le traitement antihypertenseur avec de la moxonidine, un composé sympatholytique d’action centrale, permet une régression de l’HVG suite à une réduction soutenue de la synthèse d'ADN et d’une stimulation transitoire de la fragmentation de l'ADN qui se produit au début du traitement. En raison de l’interaction entre l’HVG, les cytokines inflammatoires, le SNS et leurs effets sur les protéines de signalisation hypertrophiques, l’objectif de cette étude est de détecter dans un modèle animal d’hypertension artérielle et d’HVG, les différentes voies de signalisation associées à la régression de l’HVG et à la performance cardiaque. Des rats spontanément hypertendus (SHR, 12 semaines) ont reçu de la moxonidine à 0, 100 et 400 µg/kg/h, pour une période de 1 et 4 semaines, via des mini-pompes osmotiques implantées d’une façon sous-cutanée. Après 4 semaines de traitement, la performance cardiaque a été mesurée par écho-doppler. Les rats ont ensuite été euthanasiés, le sang a été recueilli pour mesurer les concentrations des cytokines plasmatiques et les cœurs ont été prélevés pour la détermination histologique du dépôt de collagène et de l'expression des protéines de signalisation dans le ventricule gauche. Le traitement de 4 semaines n’a eu aucun effet sur les paramètres systoliques mais a permis d’améliorer les paramètres diastoliques ainsi que la performance cardiaque globale. Par rapport au véhicule, la moxonidine (400 µg/kg/h) a permis d’augmenter transitoirement la concentration plasmatique de l’IL-1β après une semaine et de réduire la masse ventriculaire gauche. De même, on a observé une diminution du dépôt de collagène et des concentrations plasmatiques des cytokines IL-6 et TNF-α, ainsi qu’une diminution de la phosphorylation de p38 et d’Akt dans le ventricule gauche après 1 et 4 semaines de traitement, et cela avec une réduction de la pression artérielle et de la fréquence cardiaque. Fait intéressant, les effets anti-hypertrophiques, anti-fibrotiques et anti-inflammatoires de la moxonidine ont pu être observés avec la dose sous-hypotensive (100 µg/kg/h). Ces résultats suggèrent des effets cardiovasculaires bénéfiques de la moxonidine associés à une amélioration de la performance cardiaque, une régulation de l'inflammation en diminuant les niveaux plasmatiques des cytokines pro-inflammatoires ainsi qu’en inhibant la MAPK p38 et Akt, et nous permettent de suggérer que, outre l'inhibition du SNS, moxonidine peut agir sur des sites périphériques. / Left ventricular hypertrophy (LVH) is an adaptive and compensatory process that develops in hypertension to oppose the chronic elevation of blood pressure. LVH is characterized by hypertrophy of cardiomyocytes following the increase in DNA synthesis, proliferation of fibroblasts, increased collagen deposition and alteration of the extracellular matrix (ECM). These changes generate relaxation and diastolic dysfunction which reduced cardiac performance. The overactivity of the sympathetic nervous system plays an essential role in the development of hypertension and left ventricular hypertrophy pathogenesis due to the excessive release of catecholamines and norepinephrine spillover and their effects on the secretion of pro-inflammatory cytokines and hypertrophic signaling pathways. Antihypertensive treatment with moxonidine, a centrally acting sympatholytic imidazoline compound, results in prevention of left ventricular hypertrophy, resulting from a sustained reduction of DNA synthesis and transient stimulation of DNA fragmentation that occur early after treatment. Due to the interaction between LVH, inflammatory cytokines, the SNS and their effects on hypertrophic signaling proteins, the objective of this study is to detect in an animal model of hypertension and LVH, the different signaling pathways associated with regression of LVH and cardiac performance. Spontaneously hypertensive rats (SHR, 12 weeks old) received moxonidine at 0, 100 and 400 µg/kg/h, for 1 and 4 weeks, via subcutaneously implanted osmotic minipumps. After 4 weeks of treatment, cardiac performance was measured by echo-Doppler. Then the rats were euthanized, blood was collected for measurement of plasma cytokines and hearts for histologic determination of collagen deposition and for measurement of left ventricular expression of downstream signaling proteins. Treatment for 4 weeks had no effect on systolic parameters but improved diastolic parameters and global cardiac performance. Compared to vehicle, moxonidine (400 µg/kg/h) transiently increased plasma IL-1β after 1 week and reduced left ventricular mass. Similarly, there was a decrease in collagen deposition and plasma concentrations of IL-6 and TNF-α, and decreased phosphorylation of p38 and Akt in the left ventricle after 1 and 4 weeks treatment, in association with reduced blood pressure and heart rate. Interestingly, the anti-hypertrophic, anti-fibrotic, and anti-inflammatory effects of moxonidine were observed with a sub-hypotensive dose (100µg/kg/h). These results suggest the beneficial cardiovascular effects of moxonidine associated with improved cardiac performance, regulation of inflammation by decreasing pro-inflammatory plasma levels, inhibition of p38 MAPK and Akt, and allow us to suggest that besides inhibiting the SNS, moxonidine may act on peripheral sites.

L’objectif principal de cette thèse est le développement de techniques de segmentation et de suivi totalement automatisées du ventricule gauche (VG) en RT3DE. Du fait de la nature difficile et complexe des données RT3DE, l’application directe des algorithmes classiques de vision par ordinateur est le plus souvent impossible. Les solutions proposées ont donc été formalisées et implémentées de sorte à satisfaire les contraintes suivantes : elles doivent permettre une analyse complètement automatique (ou presque) et le temps de calcul nécessaire doit être faible afin de pouvoir fonctionner en temps réel pour une utilisation clinique optimale. Dans ce contexte, nous avons donc proposé un nouveau cadre ou les derniers développements en segmentation d’images par ensembles de niveaux peuvent être aisément intégrés, tout en évitant les temps de calcul importants associés à ce type d’algorithmes. La validation clinique de cette approche a été effectuée en deux temps. Tout d’abord, les performances des outils développés ont été évaluées dans un contexte global se focalisant sur l’utilisation en routine clinique. Dans un second temps, la précision de la position estimée du contour du ventricule gauche a été mesurée. Enfin, les méthodes proposées ont été intégrées dans une suite logicielle utilisée à des fins de recherche. Afin de permettre une utilisation quotidienne efficace, des solutions conviviales ont été proposées incluant notamment un outil interactif pour corriger la segmentation du VG. / The fundamental goal of the present thesis was the development of automatic strategies for left ventricular (LV) segmentation and tracking in RT3DE data. Given the challenging nature of RT3DE data, classical computer vision algorithms often face complications when applied to ultrasound. Furthermore, the proposed solutions were formalized and built to respect the following requirements: they should allow (nearly) fully automatic analysis and their computational burden should be low, thus enabling real-time processing for optimal online clinical use. With this in mind, we have proposed a novel segmentation framework where the latest developments in level-set-based image segmentation algorithms could be straightforwardly integrated, while avoiding the heavy computational burden often associated with level-set algorithms. Furthermore, a strong validation component was included in order to assess the performance of the proposed algorithms in realistic scenarios comprising clinical data. First, the performance of the developed tools was evaluated from a global perspective, focusing on its use in clinical daily practice. Secondly, also the spatial accuracy of the estimated left ventricular boundaries was assessed. As a final step, we aimed at the integration of the developed methods in an in-house developed software suite used for research purposes. This included user-friendly solutions for efficient daily use, namely user interactive tools to adjust the segmented left ventricular boundaries.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la désynchronisation pariétale en ciné-IRM conventionnelle. La première partie de notre travail a consisté à quantifier les mouvements de la paroi du ventricule gauche du coeur directement à partir de séquences de ciné-IRM standards, de type SSFP avec une synchronisation rétrospective, utilisées pour l'étude de la fonction cardiaque. Les méthodes développées pour mesurer les déplacements dans les images sont basées sur des techniques fréquentielles de flux optique. Ces techniques semblent particulièrement adaptées aux particularités des IRM. Nous montrons en effet leur robustesse en présence de bruit ricien et de variations d'intensité des pixels au cours du temps, variations généralement provoquées par les mouvements du coeur à travers le plan, notamment en coupe petit axe. La seconde partie de notre travail a porté sur l'évaluation de la désynchronisation en ciné-IRM en coupe petit axe. Des courbes d'évolution des déplacements et des vitesses de la paroi au cours du temps ont été obtenues par un suivi de points d'intérêt localisés sur les différents segments du ventricule gauche proches de l'endocarde. Pour calculer les délais entre ces courbes, nous nous sommes appuyés sur les études effectuées en échocardiographie et avons proposé différents paramètres de mesure de la désynchronisation pour l'IRM. Ce travail a fait l'objet d'une étude clinique préliminaire comprenant des coeurs considérés comme normaux suite à l'examen clinique et de coeurs de patients à QRS larges et fins ne présentant pas de cardiopathie ischémique. Les mesures de désynchronisation en IRM cardiaque ont été comparées aux mesures pratiquées en échocardiographie. Les premiers résultats indiquent une corrélation entre les mesures d'échographie et d'IRM. La troisième partie de notre travail a consisté à étudier les mouvements du coeur directement à partir des images brutes des antennes en IRM multicanaux. Les algorithmes de flux optique développés et testés pour ce type d'images ont montré qu'il était possible d'estimer les mouvements myocardiques. Les premiers résultats semblent encourageants. Les résultats de l'étude préliminaire de l'asynchronisme intraventriculaire gauche en IRM sont prometteurs. La ciné-IRM cardiaque pourrait être une alternative à l'échocardiographie notamment pour les patients faiblement échogènes. La validation de cette technique de quantification de l'asynchronisme en IRM est un enjeu important. Une étude plus approfondie est en cours, notamment pour prédire la réponse à la CRT de patients sans cardiopathie ischémique présentant une désynchronisation mécanique à partir des facteurs de mesures en IRM et en échographie. / The aim of this thesis is to study parietal desynchronisation of the left ventricle from conventional cine-MRI. The first part of our work consisted in the quantification of the left ventricle wall motion of the heart directly from conventional retrospective SSFP type cine-MRI sequences used in the study of cardiac function. The developed methods for measuring displacements within the images are frequency-based optical flow methods. These techniques seem to be particularly adapted to MRI specificities. We have demonstrated their robustness in the event of Rician noise and pixel intensity variations as a function of time. These variations are often associated with the through-plane motion of the heart, in particular in the short-axis orientation. The second part of our work concerned the assessment of desynchronisation from short axis cine-MRI. Time-displacement and time-velocity curves of the heart wall were obtained from tracking points of interest localised on the left ventricle segments close to the endocardium. With respect to the quantification of the delay between curves, our work relied on research carried out in the field of echocardiography desynchronisation. Various parameters for the measurement of desynchronisation from cine-MRI were proposed. This work was the subject of a preliminary clinical study including patients considered as normal further based on clinical examination and patients having normal or prolonged QRS duration without ischemic heart disorder. The dyssynchrony measurements from cardiac MRI were compared to measurements obtained with echocardiography. The first results indicate a good correlation between echography and MRI measurements. The third part of our work consisted in studying heart wall motion directly from raw images from multicoil MRI. The developed optical flow algorithms were tested and they showed that it was possible to estimate myocardial movement. Preliminary results are encouraging. The results of the preliminary study of left intraventricular asynchronism from MRI are also promising. Cardiac cine-MRI could be an alternative to echocardiography in the case of weakly echogenic patients. The validation of this quantitative technique for asynchronism from MRI is of major interest. A more detailed study is in progress, in particular to predict the response of CRT (cardiac resynchronisation therapy) of patients without ischemic disorder presenting a mechanical desynchronisation from MRI and echographic parameters.

Dans cette étude, nous abordons l'utilisation de la représentation parcimonieuse et l'apprentissage de dictionnaires pour l'aide au diagnostic dans le contexte de Maladies Cardiovasculaires. Spécifiquement, notre travail se concentre : 1) sur l'évaluation du mouvement des parois du Ventricule Gauche (VG) chez des patients souffrant d'Insuffisance Cardiaque (IC) ; 2) la détection de fibrose chez des patients présentant une Cardiomyopathie Hypertrophique (CMH). Ces types de pathologies sont étudiées par ailleurs en Imagerie par Résonance Magnétique Cardiaque (IRMC).Dans le contexte de l'IC notre contribution porte sur l'évaluation de mouvement du VG dans des séquences cine-IRMC. Nous proposons dans un premier temps, une méthode d'extraction de caractéristiques qui exploite les informations partielles obtenues à partir de toutes les phases cardiaques temporelles et des segments anatomiques, dans une représentation spatio-temporelle en cine-IRM petit axe (SAX). Les représentations proposées exploitent les informations du mouvement des parois du VG sans avoir recours à la segmentation et disposent des informations discriminatoires qui pourraient contribuer à la détection et à la caractérisation de l'asynchronisme cardiaque. L'extraction d'images spatio-temporelles a été proposée permettant la construction de trois nouveaux types de représentations : 1) profils spatio-temporels diamétraux qui montrent l'évolution temporelle de l’épicarde et de l'endocarde en même temps dans deux segments anatomiques opposés du VG, 2) profils spatio-temporels radiaux où le mouvement pariétal est observé pour chaque segment de la cavité du VG et 3) courbes de signal temps-intensité directement des profils spatio-temporels radiaux dans chaque segment anatomique. Des paramètres différents sont alors définis de ces courbes qui reflètent les informations dynamiques de la contraction du VG. Deuxièmement, nous proposons l'utilisation de ces caractéristiques comme des atomes d'entrée dans l'apprentissage de dictionnaires discriminatoires pour classifier le mouvement régional du VG dans les cas normaux ou anormaux. Nous avons proposé une évaluation globale en utilisant le statut global du sujet : Normal/Pathologique, comme l'étiquette de référence des profils spatio-temporels et une évaluation locale en utilisant les informations de déformation locales fournies par l'analyse des images échographiques de référence en clinique (2D-STE). Dans le contexte de la CMH, nous abordons le problème de détection de la fibrose en LGE-IRM-SAX en utilisant une approche de partitionnement de donnés et d'apprentissage de dictionnaires. Dans ce cadre, les caractéristiques extraites d'images de LGE-SAX sont prises comme des atomes d'entrée pour former un classifieur basé sur les codes parcimonieux obtenus avec une approche d'apprentissage de dictionnaires. Une étape de post-traitement permet la délimitation du myocarde et la localisation spatiale de la fibrose par segment anatomique. / This work concerns the use of sparse representation and Dictionary Learning (DL) in order to get insights about the diseased heart in the context of Cardiovascular Diseases (CVDs). Specifically, this work focuses on 1) assessment of Left Ventricle (LV) wall motion in patients with heart failure and 2) fibrosis detection in patients with hypertrophic cardiomyopathy (HCM). In the context of heart failure (HF) patients, the work focuses on LV wall motion analysis in cardiac cine-MRI. The first contribution in this topic is a feature extraction method that exploits the partial information obtained from all temporal cardiac phases and anatomical segments in a spatio-temporal representation from sequences cine-MRI in short-axis view. These features correspond to spatio-temporal profiles in different anatomical segments of the LV. The proposed representations exploit information of the LV wall motion without segmentation needs. Three representations are proposed : 1) diametrical spatio-temporal profiles where radial motions of LV’s walls are observed at the same time in opposite anatomical segments 2) radial spatiotemporal profiles where motion of LV’s walls is observed for each segment of the LV cavity and 3) quantitative parameters extracted from the radial spatio-temporal profiles. A second contribution involves the use of these features as input atoms in the training of discriminative dictionaries to classify normal or abnormal regional LV motion. We propose two levels of evaluation, a first one where the global status of the subject (normal/pathologic) is used as ground truth to label the proposed spatio-temporal representations, and a second one where local strain information obtained from 2D Speckle Tracking Echocardiography (STE), is taken as ground truth to label the proposed features, where a profile is classified as normal or abnormal (akinetic or hypokinetic cases). In the context of Hypertrophic cardiomyopathy (HCM), we address the problem of fibrosis detection in Late Gadolinium Enhanced LGE-Short axis (SAX) images by using a sparse-based clustering approach and DL. In this framework, random image patches are taken as input atoms in order to train a classifier based on the sparse coefficients obtained with a DL approach based on kernels. For a new test LG-SAX image, the label of each pixel is predicted by using the trained classifier allowing the detection of fibrosis. A subsequent postprocessing step allows the spatial localization of fibrosis that is represented according to the American Heart Association (AHA) 17-segment model and a quantification of fibrosis in the LV myocardium.

Les traits quantitatifs complexes sont des caractéristiques mesurables d’organismes vivants qui résultent de l’interaction entre plusieurs gènes et facteurs environnementaux. Les locus génétiques liés à un caractère complexe sont appelés «locus de traits quantitatifs » (QTL). Récemment, en considérant les niveaux d’expression tissulaire de milliers de gènes comme des traits quantitatifs, il est devenu possible de détecter des «QTLs d’expression» (eQTL). Alors que ces derniers ont été considérés comme des phénotypes intermédiaires permettant de mieux comprendre l’architecture biologique des traits complexes, la majorité des études visent encore à identifier une mutation causale dans un seul gène. Cette approche ne peut remporter du succès que dans les situations où le gène incriminé a un effet majeur sur le trait complexe, et ne permet donc pas d’élucider les situations où les traits complexes résultent d’interactions entre divers gènes. Cette thèse propose une approche plus globale pour : 1) tenir compte des multiples interactions possibles entre gènes pour la détection de eQTLs et 2) considérer comment des polymorphismes affectant l’expression de plusieurs gènes au sein de groupes de co-expression pourraient contribuer à des caractères quantitatifs complexes. Nos contributions sont les suivantes : Nous avons développé un outil informatique utilisant des méthodes d’analyse multivariées pour détecter des eQTLs et avons montré que cet outil augmente la sensibilité de détection d’une classe particulière de eQTLs. Sur la base d’analyses de données d’expression de gènes dans des tissus de souris recombinantes consanguines, nous avons montré que certains polymorphismes peuvent affecter l’expression de plusieurs gènes au sein de domaines géniques de co-expression. En combinant des études de détection de eQTLs avec des techniques d’analyse de réseaux de co-expression de gènes dans des souches de souris recombinantes consanguines, nous avons montré qu’un locus génétique pouvait être lié à la fois à l’expression de plusieurs gènes au niveau d’un domaine génique de co-expression et à un trait complexe particulier (c.-à-d. la masse du ventricule cardiaque gauche). Au total, nos études nous ont permis de détecter plusieurs mécanismes par lesquels des polymorphismes génétiques peuvent être liés à l’expression de plusieurs gènes, ces derniers pouvant eux-mêmes être liés à des traits quantitatifs complexes. / Complex quantitative traits are measurable characteristics of living organisms resulting from the interaction between multiple genes and environmental factors. Genetic loci associated with complex trait are called "quantitative trait loci" (QTL). Recently, considering the expression levels of thousands of genes as quantitative traits, it has become possible to detect "expression QTLs " (eQTL). These eQTL are considered intermediate phenotypes and are used to better understand the biological architecture of complex traits. However the majority of studies still try to identify a causal mutation in a single gene. This approach can only meet success in situations where the gene incriminate as a major effect on the complex trait, and therefore can not elucidate the situations where complex traits result from interactions between various genes. This thesis proposes a more comprehensive approach to: 1) take into account the possible interactions between multiple genes for the detection of eQTLs and 2) consider how polymorphisms affecting the expression of several genes in a module of co-expression may contribute to quantitative complex traits. Our contributions are as follows: We have developed a tool using multivariate analysis techniques to detect eQTLs, and have shown that this tool increases the sensitivity of detection of a particular class of eQTLs. Based on the data analysis of gene expression in recombinant inbred strains mice tissues, we have shown that some polymorphisms may affect the expression of several genes in domain of co-expression. Combining eQTLs detection studies with network of co-expression genes analysis in recombinant inbred strains mice, we showed that a genetic locus could be linked to both the expression of multiple genes at a domain of gene co-expression and a specific complex trait (i.e. left ventricular mass). Our studies have detected several mechanisms by which genetic polymorphisms may be associated with the expression of several genes, and may themselves be linked to quantitative complex traits.

Dans cette thèse, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) dans le système cardiovasculaire. Nous considérons en particulier l'interaction mécanique du sang avec la paroi des grosses artères, avec des valves cardiaques et avec le myocarde. Dans les algorithmes IFS partitionnés, le couplage entre le fluide et la structure peut être imposé de manière implicite, semi-implicite ou explicite. Dans la première partie de cette thèse, nous faisons l'analyse de convergence d'un algorithme de projection semi-implicite. Puis, nous proposons une nouvelle version de ce schéma qui possède de meilleures propriétés de stabilité. La modification repose sur un couplage Robin-Robin résultant d'une ré-interprétation de la formulation de Nitsche. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la simulation de valves cardiaques. Nous proposons une stratégie partionnée permettant la prise en compte du contact entre plusieurs structures immergées dans un fluide. Nous explorons également l'utilisation d'une technique de post-traitement récente, basée sur la notion de structures Lagrangiennes cohérentes, pour analyser qualitativement l'hémodynamique complexe en aval des valves aortiques. Dans la dernière partie, nous proposons un modèle original de valves cardiaques. Ce modèle simplifié offre un compromis entre les approches 0D classiques et les simulations complexes d'interaction fluide-structure 3D. Diverses simulations numériques sont présentées pour illustrer l'efficacité et la robustesse de ce modèle, qui permet d'envisager des simulations réalistes de l'hémodynamique cardiaque, à un coût de calcul modéré.