La micro-oxygénation des vins, par la dispersion de bulles d’oxygène, est une pratique de plus en plus utilisée dans le domaine de l’œnologie. Cette technique n’est pas toujours convenablement maitrisée par manque de connaissances scientifiques sur les paramètres régissant le transfert de l’oxygène. La recherche s'est focalisée sur l'étude des coefficients de transfert en fonction des composés du vin (CO2, éthanol, sucrose, consommateurs d’oxygène) et des conditions opératoires (type de diffuseur, température, rapport entre hauteur et diamètre du contenant de liquide). Les résultats montrent que lors de la micro-oxygénation, le dioxyde de carbone dissous et le sucrose ont une incidence négative sur le transfert alors que la présence d’éthanol améliore le transfert. En ce qui concerne les conditions opératoires, l’augmentation de débit de gaz et l’augmentation de rapport entre la hauteur et le diamètre de la cuve de micro-oxygénation joue positivement sur le transfert d’oxygène La surface spécifique des bulles et le coefficient de transfert de matière ont pu être dissociés pour les vins. La nature tensio-active des composés du vin semble être un élément important sur le transfert de matière. Les connaissances acquises ont été appliquées à la micro-oxygénation au cours de deux étapes de l'élaboration des vins : la fermentation alcoolique avec la maitrise de l’apport d’oxygène et la simulation de la technique d’élevage en barrique par micro-oxygénation couplée à l’ajout de copeaux de bois. Une nouvelle approche concerne l'étude d'un contacteur membranaire qui permet le transfert d’oxygène par diffusion. / Micro-oxygenation of the wines, by the dispersion of oxygen bubbles, is a practice increasingly used in oenology. This technique is not always suitably controlled for lack of scientific knowledge on the parameters governing the transfer of oxygen. Research was focused on the study of transfer coefficients in function of wine components (CO2, ethanol, sucrose, consuming oxygen) and of operating conditions (type of diffuser, temperature, relationship between height and diameter of the container of liquid). The results show that during micro-oxygenation, the dissolved carbon dioxide and the sucrose have a negative incidence on the transfer whereas the presence of ethanol improves the transfer. As operating conditions are concerned, the increase in gas output and the increase in micro-oxygenation tank height/diameter ratio positively influence oxygen transfer. For wines, the specific surface of the bubbles and the mass transfer coefficient could be dissociated. The surfactant nature of wine components seems to be the most important factor in mass transfer. The knowledge so acquired was applied to micro-oxygenation during two stages of wine making: alcoholic fermentation with the oxygen yield control and the simulation of ageing technique in barrels coupled with the wood chips addition. A new approach relates to the study of a membrane contactor application allowing the oxygen transfer by diffusion.

Un modèle pharmacocinétique à base physiologique (PBPK) d’exposition par inhalation à l’éthanol a antérieurement été développé en se basant sur des données provenant d’une étude chez des volontaires exposés par inhalation à plus de 5000 ppm. Cependant, une incertitude persiste sur la capacité du modèle PBPK à prédire les niveaux d’éthanolémie pour des expositions à de faibles concentrations. Ces niveaux sont fréquemment rencontrés par une large partie de la population et des travailleurs suite à l’utilisation de produits tels que les vernis et les solutions hydroalcooliques (SHA). Il est ainsi nécessaire de vérifier la validité du modèle existant et de déterminer l’exposition interne à l’éthanol dans de telles conditions. Les objectifs du mémoire sont donc 1) de documenter les niveaux d’éthanolémie résultant de l’exposition par inhalation à de faibles concentrations d’éthanol (i.e., ≤ 1000 ppm) et de valider/raffiner le modèle PBPK existant pour ces concentrations ; et 2) de déterminer les concentrations d’éthanol atmosphérique provenant d’utilisation de SHA et de vernis et de prédire les niveaux d’éthanolémie découlant de leur utilisation. Les données toxicocinétiques récoltées chez des volontaires nous suggèrent qu’il est insuffisant de limiter au foie la clairance métabolique de l’éthanol lors d’exposition à de faibles niveaux d’éthanol, contrairement aux expositions à de plus forts niveaux. De plus, il a clairement été démontré qu’un effort physique léger (50 W) influençait à la hausse (2-3 fois) l’éthanolémie des volontaires exposés à 750 ppm. L’ajout au modèle PBPK d’une clairance métabolique de haute affinité et de faible capacité associée aux tissus richement perfusés a permis de simuler plus adéquatement la cinétique de l’éthanolémie pour des expositions à des concentrations inférieures à 1000 ppm. Des mesures de concentrations d’éthanol dans l’air inhalé générées lors d’utilisation de SHA et de vernis ont permis de simuler des expositions lors de l’utilisation de ces produits. Pour l’utilisation de 1,5 g et 3 g de SHA dans un local peu ventilé, des concentrations sanguines maximales (Cmax) de 0.383 et 0.366 mg.L-1 ont été respectivement simulées. Dans un local bien ventilé, les Cmax simulées étaient de 0.264 et 0.414 mg.L-1. Selon les simulations, une application de vernis résulterait en une Cmax respectivement de 0.719 mg.L-1 et de 0.729 mg.L-1, chez les hommes et femmes. Les Cmax sanguines d’éthanol estimées suites aux différentes simulations sont inférieures à la concentration toxique pour les humains (100 mg.L-1). Ainsi, de telles expositions ne semblent pas être un danger pour la santé. Les résultats de cette étude ont permis de mieux décrire et comprendre les processus d’élimination de l’éthanol à faibles doses et permettront de raffiner l’évaluation du risque associé à l’inhalation chronique de faibles niveaux d’éthanol pour la population, particulièrement chez les travailleurs. / A physiologically based pharmacokinetic model (PBPK) on inhalation exposure to ethanol has previously been developed based on data from an inhalation study in volunteers exposed to more than 5000 ppm. However, there remains uncertainty about the ability of the PBPK model to predict the blood levels of ethanol (BLE) for exposure to low concentrations. These levels are frequently encountered by a large part of the population and workers by using products such as varnishes and alcoholic solutions (HAS). It is therefore necessary to verify the validity of the existing model and determine the internal exposure to ethanol in such conditions. The objectives of this master’s thesis are 1) to document the BLE resulting from inhalation exposure to low concentrations of ethanol (i.e., ≤ 1000 ppm) and validate/refine the existing PBPK model for these concentrations, and 2) to determine the atmospheric concentrations of ethanol following the use of alcoholic solutions (HAS) and varnish as well as to predict the BLE resulting from their use. Toxicokinetic data collected from volunteers suggest that it is insufficient to limit metabolic clearance of ethanol to the liver during exposures to low levels of ethanol, unlike exposures to stronger levels. In addition, it was clearly demonstrated that light exercise (50W) increased (2-3 fold) the BLE in volunteers exposed to 750 ppm. An addition to the PBPK model of a metabolic clearance of high affinity and low capacity associated with richly perfused tissue was performed to simulate more accurately the toxicokinetic data from low and high ethanol exposure levels. Measurements of ethanol concentrations in inhaled air generated during the use of HAS and varnishes were used to simulate the exposure during the use of these products. The simulation for HAS, for 1.5 g and 3 g, gave a maximum blood concentration (Cmax) of 0.383 and 0.366 mg.L-1 respectively in a poorly ventilated room. In a well-ventilated room, the simulated Cmax for 1.5 g and 3 g of HAS were 0.264 and 0.414 mg.L-1, respectively. The simulation results from the use of ethanol-based varnish yielded a Cmax for men and women of 0.719 and 0.729 mg.L-1 respectively. The blood Cmax of ethanol previously listed for the various simulations are well below the toxic dose for humans (50 mg.L-1). Thus, such exposures do not seem to be a health hazard. The results of this study helped to better describe and understand the elimination of ethanol at low doses and refine the evaluation process associated with chronic inhalation of low levels of ethanol to the population risk, particularly in workers.

La maladie alcoolique du foie (MAF) et l’hépatite C chronique (HCC) sont les causes les plus fréquentes de cirrhose, carcinome hépatocellulaire (CHC) et transplantation hépatique dans les pays industrialisés. La fibrose hépatique est le stigmate lésionnel de la progression de la maladie vers la cirrhose comme dans toutes les hépatopathies chroniques. Certains facteurs de risque cliniques environnementaux ont été identifiés. Toutefois, ils n’expliquent pas l’extrême variabilité individuelle de la progression de la fibrose. L’influence ethnique à développer une maladie plus sévère ainsi que les études de concordance des jumeaux mono- et di-zygotiques sur la prévalence de la cirrhose alcoolique ont suggéré l’existence de facteurs génétiques associés. Les nombreuses études de gènes candidats réalisées n’ont identifié que très peu de variants associés de manière reproductible. Pour l’HCC par exemple, le score de risque de cirrhose ou « CRS » a montré sa capacité à prédire une fibrose avancée dans diverses cohortes caucasiennes. Récemment, une étude d’association pangénomique (GWAS) dans la stéatohépatopathie non-alcoolique (NAFLD) a mis en évidence un singleton (single nucleotide polymorphism [SNP]) particulier (rs738409 C>G) dans le gène PNPLA3. Ce dernier s’est révélé être, dans diverses études, le SNP ayant l’impact le plus robuste et le plus reproductible dans cette maladie. Par ailleurs, ce même variant a également été significativement associé à la cirrhose alcoolique chez les hispaniques.<p><p>Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont permis de montrer que :<p><p>1) Le CRS avait la capacité de prédire la progression de la fibrose chez des patients caucasiens ayant une HCC dans 2 cohortes européennes indépendantes.<p><p>2) Par ailleurs, dans la MAF, nous avons répliqué chez des patients caucasiens l’association entre le SNP rs738409 dans le gène PNPLA3 et la cirrhose. Nous avons également montré pour la première fois, que l’expression de PNPLA3 était significativement diminuée chez les patients avec une fibrose plus avancée. De plus, nous avons observé dans 2 cohortes européennes que rs738409 était également associé à la prévalence du CHC.<p><p>3) Enfin, nous avons également mis en évidence l’impact de ce même SNP sur la stéatose hépatique et la fibrose dans l’HCC sans toutefois qu’il influence la réponse à la thérapie antivirale dans 3 cohortes caucasiennes indépendantes.<p><p>Ainsi de manière remarquable, un même SNP (rs738409) apparait associé à des lésions hépatiques sévères dans les trois pathologies hépatiques chroniques les plus fréquentes (la MAF, l’HCC et la NAFLD). Ceci suggère des voies pathogéniques communes de la fibrogénèse hépatique. Par ailleurs, ces travaux soulignent indirectement que les GWAS ont la capacité d’ouvrir de nouvelles voies physiopathologiques et d’identifier de nouveaux variants, gènes ou région génétiques capables de constituer de nouveaux biomarqueurs et cibles thérapeutiques dans l’HCC et la MAF. / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les patients atteints de stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) développent fréquemment des manifestations cardiovasculaires. Bien que souvent liées à l'obésité, ces anomalies peuvent également se développer chez des patients non obèses atteints de NAFLD impliquant que cette pathologie hépatique joue, en soi, un rôle dans la pathogenèse des complications cardiaques. Pour répondre à cette question et étudier les mécanismes sous-jacents indépendamment de toutes perturbations métaboliques et comorbidités préexistantes, nous avons utilisé un modèle murin arborant une déficience mitochondriale hépatique associée à un défaut d'assemblage du complexe IV de la chaîne respiratoire. Ce modèle murin avait préalablement été caractérisé au niveau hépatique mettant alors en évidence le développement d'une stéatose microvésiculaire et un profil lipidomique similaire à celui observé chez les patients atteints d'une NAFLD sans obésité. L'identification des mécanismes qui sous-tendent le développement et la progression de la NAFLD sans obésité et de ces répercussions extra-hépatiques ne faisant pas l'objet d'un très grand nombre d'études fondamentales, l'objectif principal était donc d'étudier l'axe foie-coeur. Dans le cadre des travaux de ce mémoire, nous avons cherché à approfondir la caractérisation hépatique, préalablement faite à l'âge de 5 semaines et ayant fait l'objet de publications par des laboratoires collaborateurs. Nous avons par la suite investigué la glycémie, l'insulinémie et le profil des lipoprotéines plasmatiques pour finir par l'analyse du métabolisme et de la fonction cardiaque. L'ensemble de ces expériences ont été faites en prenant en compte l'impact non négligeable du sexe sur la physiopathologie de la NAFLD. Nos résultats ont dévoilé un important remodelage phénotypique sexe-dépendant allant au-delà des lésions hépatiques. Les mâles un peu plus que les femelles présentaient une hypoglycémie à jeun et une sensibilité accrue à l'insuline. Ils présentaient un léger dysfonctionnement diastolique soutenu par un remodelage des lipoprotéines circulantes et dans une certaine mesure, par un remodelage du lipidome cardiaque. À l'inverse, les femelles ne manifestaient aucun dysfonctionnement cardiaque, mais présentaient des déficiences cardiométaboliques soutenues par une altération de l’intégrité et la fonction mitochondriale, un remodelage des lipoprotéines circulantes et une accumulation intracardiaque de triglycérides. À la lumière de ces résultats, cette étude souligne que les défauts métaboliques dans le foie peuvent entraîner des anomalies significatives et dépendantes du sexe affectant à la fois le phénotype mitochondrial/métabolique et la fonction contractile indépendamment de l'obésité. Ce modèle expérimental pourrait s'avérer utile dans la compréhension des mécanismes sous-jacents à la variabilité liée au sexe dans la progression de la NAFLD chez l'homme non obèse. / Cardiac abnormalities often develop in patients with non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). Although frequently linked to obesity, these abnormalities can also develop in patients with lean-NAFLD, implying that the liver pathology per se plays a role in the pathogenesis of cardiac complications. To address this question and investigate the underlying mechanisms independent of any pre-existent metabolic disruptions and comorbidities, we used a murine model of hepatic mitochondrial deficiency associated with a defect in the assembly of respiratory chain complex IV. This mouse model had previously been characterized at the hepatic level, showing the presence of microvesicular steatosis, and a lipidomic profile similar to that observed in patients with lean-NAFLD. Because few fundamental studies have adressed the identification of mechanisms underlying the development and progression of lean-NAFLD and its extrahepatic repercussions, the main aim was to study the liver-heart axis. As a part of this master's project, we sought to deepen the hepatic characterization of this mouse model, previously done at 5-weeks of age, and published by collaborators. We then investigated glycemia, insulinemia and plasma lipoprotein profile, and finally examined cardiac metabolism and function. All these experiments were done in consideration of the non-negligible impact of sexe on the pathophysiology of NAFLD. Our results unveiled a sex-dependent multi-faceted phenotypic remodeling that went beyond liver damage. Males, slightly more than females, showed fasting hypoglycemia and increased insulin sensitivity. They exhibited mild diastolic dysfunction supported by remodeling of the circulating lipoproteins, and to some extent remodeling of cardiac lipidome. Conversely, females did not manifest cardiac dysfunction, but exhibited cardiometabolic impairments supported by impaired mitochondrial integrity and function, remodeling of circulating lipoproteins, and intracardiac accumulation of triglycerides. In light of these findings, this study underscores that metabolic defects in the liver can result in significant sex-dependent abnormalities that affect both the mitochondrial/metabolic phenotype and contractile function independent of obesity. This experimental model may prove useful to better understand the mechanisms underlying the sex-related variability in the progression of lean-NAFLD in humans.

Pour le diagnostic et la stratification de la fibrose hépatique, la rigidité du foie est un biomarqueur quantitatif estimé par des méthodes d'élastographie. L'élastographie par ondes de cisaillement (« shear wave », SW) utilise des ultrasons médicaux non invasifs pour évaluer les propriétés mécaniques du foie sur la base des propriétés de propagation des ondes de cisaillement. La vitesse des ondes de cisaillement (« shear wave speed », SWS) et l'atténuation des ondes de cisaillement (« shear wave attenuation », SWA) peuvent fournir une estimation de la viscoélasticité des tissus. Les tissus biologiques sont intrinsèquement viscoélastiques et un modèle mathématique complexe est généralement nécessaire pour calculer la viscoélasticité en imagerie SW. Le calcul précis de l'atténuation est essentiel, en particulier pour une estimation précise du module de perte et de la viscosité. Des études récentes ont tenté d'augmenter la précision de l'estimation du SWA, mais elles présentent encore certaines limites. Comme premier objectif de cette thèse, une méthode de décalage de fréquence revisitée a été développée pour améliorer les estimations fournies par la méthode originale de décalage en fréquence [Bernard et al 2017]. Dans la nouvelle méthode, l'hypothèse d'un paramètre de forme décrivant les caractéristiques spectrales des ondes de cisaillement, et assumé initialement constant pour tous les emplacements latéraux, a été abandonnée permettant un meilleur ajustement de la fonction gamma du spectre d'amplitude. En second lieu, un algorithme de consensus d'échantillons aléatoires adaptatifs (« adaptive random sample consensus », A-RANSAC) a été mis en œuvre pour estimer la pente du paramètre de taux variable de la distribution gamma afin d’améliorer la précision de la méthode. Pour valider ces changements algorithmiques, la méthode proposée a été comparée à trois méthodes récentes permettant d’estimer également l’atténuation des ondes de cisaillements (méthodes de décalage en fréquence, de décalage en fréquence en deux points et une méthode ayant comme acronyme anglophone AMUSE) à l'aide de données de simulations ou fantômes numériques. Également, des fantômes de gels homogènes in vitro et des données in vivo acquises sur le foie de canards ont été traités. Comme deuxième objectif, cette thèse porte également sur le diagnostic précoce de la stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD) qui est nécessaire pour prévenir sa progression et réduire la mortalité globale. À cet effet, la méthode de décalage en fréquence revisitée a été testée sur des foies humains in vivo. La performance diagnostique de la nouvelle méthode a été étudiée sur des foies humains sains et atteints de la maladie du foie gras non alcoolique. Pour minimiser les sources de variabilité, une méthode d'analyse automatisée faisant la moyenne des mesures prises sous plusieurs angles a été mise au point. Les résultats de cette méthode ont été comparés à la fraction de graisse à densité de protons obtenue de l'imagerie par résonance magnétique (« magnetic resonance imaging proton density fat fraction », MRI-PDFF) et à la biopsie du foie. En outre, l’imagerie SWA a été utilisée pour classer la stéatose et des seuils de décision ont été établis pour la dichotomisation des différents grades de stéatose. Finalement, le dernier objectif de la thèse consiste en une étude de reproductibilité de six paramètres basés sur la technologie SW (vitesse, atténuation, dispersion, module de Young, viscosité et module de cisaillement). Cette étude a été réalisée chez des volontaires sains et des patients atteints de NAFLD à partir de données acquises lors de deux visites distinctes. En conclusion, une méthode robuste de calcul du SWA du foie a été développée et validée pour fournir une méthode de diagnostic de la NAFLD. / For diagnosis and staging of liver fibrosis, liver stiffness is a quantitative biomarker estimated by elastography methods. Ultrasound shear wave (SW) elastography utilizes noninvasive medical ultrasound to assess the mechanical properties of the liver based on the monitoring of the SW propagation. SW speed (SWS) and SW attenuation (SWA) can provide an estimation of tissue viscoelasticity. Biological tissues are inherently viscoelastic in nature and a complex mathematical model is usually required to compute viscoelasticity in SW imaging. Accurate computation of attenuation is critical, especially for accurate loss modulus and viscosity estimation. Recent studies have made attempts to increase the precision of SWA estimation, but they still face some limitations. As a first objective of this thesis, a revisited frequency-shift method was developed to improve the estimates provided by the original implementation of the frequency-shift method [Bernard et al 2017]. In the new method, the assumption of a constant shape parameter of the gamma function describing the SW magnitude spectrum has been dropped for all lateral locations, allowing a better gamma fitting. Secondly, an adaptive random sample consensus algorithm (A-RANSAC) was implemented to estimate the slope of the varying rate parameter of the gamma distribution to improve the accuracy of the method. For the validation of these algorithmic changes, the proposed method was compared with three recent methods proposed to estimate SWA (frequency-shift, two-point frequency-shift and AMUSE methods) using simulation data or numerical phantoms. In addition, in vitro homogenous gel phantoms and in vivo animal (duck) liver data were processed. As a second objective, this thesis also aimed at improving the early diagnosis of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD), which is necessary to prevent its progression and decrease the overall mortality. For this purpose, the revisited frequency-shift method was tested on in vivo human livers. The new method's diagnosis performance was investigated with healthy and NAFLD human livers. To minimize sources of variability, an automated analysis method averaging measurements from several angles has been developed. The results of this method were compared to the magnetic resonance imaging proton density fat fraction (MRI-PDFF) and to liver biopsy. SWA imaging was used for grading steatosis and cut-off decision thresholds were established for dichotomization of different steatosis grades. As a third objective, this thesis is proposing a reproducibility study of six SW-based parameters (speed, attenuation, dispersion, Young’s modulus, viscosity and shear modulus). The assessment was performed in healthy volunteers and NAFLD patients using data acquired at two separate visits. In conclusion, a robust method for computing the liver’s SWA was developed and validated to provide a diagnostic method for NAFLD.