L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste. / The normal heartbeat is initiated by the spontaneous generation of action potentials in pacemaker cells of the sinoatrial node (SAN) region. Dysfunction of this region leads to electrical instability of the heart. The majority of the patients with sinus node dysfunction require surgical implantation of electronic pacemaker devices; however, limitations of this therapeutic approach lead to a need to search for alternatives. To date, the molecular basis of the ionic currents which play pivotal role in SAN action potential has been discovered. It is thought that an important component of the pacemaker cells are HCN channels, responsible for the funny current (If) in the SAN. Meanwhile, T-box factor 3 known as an evolutionary conserved transcription factors is necessary for development of the conduction system. In previous studies, it has been shown that Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) activates Tbx3 gene expression in a PKC-dependent manner in several cell lines. The main objective of this study is to test if PMA can increase the frequency and synchronization of spontaneous activity of cultured biopacemakers. More precisely, we studied the effects of chronic exposure to PMA on the expression of the Tbx3 transcription factor and HCN4 in neonatal rat ventricular myocytes monolayers and how spontaneous activity was altered. Our results show that PMA significantly increases the Tbx3 transcription factor and HCN4 mRNA expression favoring an increased in the rate and spatial-temporal stability of the spontaneous activity. In addition, a significant decrease in conduction velocity was found that is attributed to decrease electrical intercellular coupling of the cells. The decrease in the conduction velocity could explain the negative effect PMA has on synchronization of spontaneous activity of the biopacemaker. These findings are confirmed by a multicellular mathematical model implying that faster frequency and higher intercellular resistance of the pacemaker cells may lead to a more stable and less synchronous activity. This study provides important new knowledge to produce efficient and robust biological pacemakers.

Encore en 2015, un grand nombre d’individus décèdent de pathologies du rythme cardiaque non contrôlées ou d’un manque de disponibilité de donneurs d’organes compatibles. Le génie tissulaire en créant, réparant ou améliorant la fonction des tissus est une option prometteuse afin de diminuer la mortalité associée à ces pathologies. L’objectif global de mon projet de recherche était de développer des outils et d’étudier l’impact fonctionnel des différents stimuli (mécanique et électrique) de l’environnement cardiaque dans le but de définir des conditions optimisées de culture pour la fabrication de tissu de remplacement par génie tissulaire. Cette thèse présente le développement d’un bioréacteur; un système qui optimise les conditions pour la culture cellulaire. L’efficacité du bioréacteur est validée par des expériences de culture cellulaire qui se concentrent sur la prolifération cellulaire, l’organisation cellulaire, l’expression génique et protéique de même que sur l’activité contractile spontanée. En premier lieu, nos résultats montrent, bien que la fréquence de contraction moyenne mesurée reste inchangée, une augmentation significative du nombre de cas de réentrées pour les cultures sur verre comparativement aux cultures sur Polydimethylsiloxane. Une augmentation de l’instabilité spatiotemporelle a été démontrée lorsque les cardiomyocytes étaient déposés sur un support de Polydimethylsiloxane et cette dernière corrèle avec une diminution non-significative de l’ARNm de la connexine-43 et une augmentation significative de l’ARNm pour CaV3.1 et HCN2. La culture sur Polydimethylsiloxane est également associée avec une plus forte réponse à l’isoprotérénol (β-adrénergique) et à l’acétylcholine (parasympathique). En second lieu, nous présentons les résultats du développement de notre bioréacteur en mettant l’emphase sur les caractéristiques (composantes accessibles, étirement uniaxial, électrode de carbone, stimulation biphasique) tout en validant notre approche pour optimiser les conditions de culture et améliorer la rentabilité des étapes de production du tissu de remplacement. Pour finir, nous partageons une nouvelle approche d’évaluation des caractéristiques contractiles de cellules cardiaques en culture. Nous avons développé des algorithmes qui utilisent les données de vidéomicroscopie pour valider l’impact de stimuli, évaluer l’hétérogénéité du signal enregistré et détecter des conditions favorables au développement d’arythmies. / In 2015, there are still a large number of people who die due to diseases of uncontrolled heart rhythm or due to lack of availability of compatible donor organs. Tissue engineering aim to create, repair or improve the function by different techniques. Tissue engineering is a viable option to reduce the mortality associated with many heart conditions. The overall goal of my PhD research was to study the functional impact of different stimuli in cardiac environment (mechanical and electrical stimulation) on cardiac cell cultures. This, in order to define optimized culture conditions for the production of replacement tissue using tissue engineering. This thesis presents the stages of creation and development of a bioreactor; a system that permits the culture of cardiac cells by integrating various stimuli. The optimization of culture conditions by using the bioreactor was confirmed by cell culture experiments that focus on cell proliferation, cell organization, gene and protein expression as well as on spontaneous activity. In the first place, our results show that although mean frequency of spontaneous activity remained unaltered, incidence of reentrant activity was significantly higher in samples cultured on glass compared to PDMS substrates. Higher spatial and temporal instability of the spontaneous rate activation was found when cardiomyocytes were cultured on PDMS, and correlated with decreased connexin-43 (unsignificant) and a significant increased CaV3.1 and HCN2 mRNA levels. Compared to cultures on glass, cultures on PDMS were associated with the strongest response to isoproterenol (β-adrenergic) and acetylcholine (parasympathetic). Secondly, we present the design of our bioreactor with an emphasis on its characteristics and by putting in perspective the relevance of our approach to optimize culture conditions and to improve profitability culture experiences and production stages of replacement heart tissue. Finally, a new approach is proposed to evaluate the characteristics of the contractile cells in culture which allows to validate the functional impact of stimuli, evaluate the heterogeneity in the beating behavior of the cells and to detect localized abnormal activity that could favour arrhythmia.