abstract / Medicine / Doctoral / Doctor of Philosophy

Cardiovascular diseases are major causes of morbidity and mortality in Western-style populations. Atherosclerosis and Abdominal Aortic Aneurysms (AAAs) are two prevalent vascular diseases that may progress without symptoms and contribute to acute cardiovascular events such as stroke and AAA rupture, which are consistently among the leading causes of death worldwide. The imaging methods used in the diagnosis of these diseases, have been reported to present several limitations. Given that both are associated with mechanical changes in the arterial wall, imaging of the arterial mechanical properties may improve early disease detection and patient care. Pulse wave velocity (PWV) refers to the velocity at which arterial waves generated by ventricular ejection travel along the arterial tree. PWV is a surrogate marker of arterial stiffness linked to cardiovascular mortality. The foot-to-foot method that is typically used to calculate PWV suffers from errors of distance measurements and time-delay measurements. Additionally, a single PWV estimate is provided over a relatively long distance, thus inherently lacking the capability to provide regional arterial stiffness measurements. Pulse Wave Imaging (PWI) is a noninvasive, ultrasound-based technique for imaging the propagation of pulse waves along the wall of major arteries and providing a regional PWV value for the imaged artery. The aim of this work was to enable PWI to provide more localized PWV and stiffness measurements within the imaged arterial segment and to further extend it into a 2-D and 3-D technique for the detection and monitoring of focal vascular disease at high temporal and spatial resolution. The improved modality was integrated with blood flow imaging modalities aiming to render PWI a comprehensive methodology for the study of arterial biomechanics in vivo. Spatial information was increased with the introduction of piecewise PWI. This novel technique was used to measure PWV within small sub-regions of the imaged vessel in murine aneurysmal (n = 8) and atherosclerotic aortas (n = 11) in vivo. It provided PWV and stiffness maps while capturing the progressive arterial stiffening caused by atherosclerosis. PWI was further augmented with a sophisticated adaptive algorithm, enabling it to optimally partition the imaged artery into relatively homogeneous segments, automatically isolating arterial stiffness inhomogeneities. Adaptive PWI was validated in silicone phantoms consisting of segments of varying stiffness and then tested in murine aortas in vivo. Subsequently, the conventional tradeoff between spatial and temporal resolution was addressed with a plane wave compounding implementation of PWI, allowing the acquisition of full field of view frames at over 2000 Hz. A GPU-accelerated PWI post-processing framework was developed for the processing of the big bulk of generated data. The parameters of coherent compounding were optimized in vivo. The optimized sequences were then used in the clinic to assess the mechanical properties of atherosclerotic carotids (n=10) and carotids of patients after endarterectomy (n=7), a procedure to remove the plaque and restore blood flow to the brain. In the case of atherosclerotic patients undergoing carotid endarterectomy, the results were compared against the histology of the excised plaques. Investigation of the mechanical properties of plaques was also conducted for the first time with a high-frequency transducer (18.5 MHz). Additionally, 4-D PWI was introduced, utilizing high frame rate 3-D plane wave acquisitions with a 2-D matrix array transducer (16x16 elements, 2.5 MHz). A novel methodology for PWV estimation along the direction of pulse wave propagation was implemented and validated in silicone phantoms. 4-D PWI provided comprehensive views of the pulse wave propagation in a plaque phantom and the results were compared against conventional PWI. Finally, its feasibility was tested in the carotid arteries of healthy human subjects (n=6). PWVs derived in 3-D were within the physiological range and showed good agreement with the results of conventional PWI. Finally, PWI was integrated with flow imaging modalities (Color and Vector Doppler). Thus, full field-of-view, high frame-rate, simultaneous and co-localized imaging of the arterial wall dynamics and color flow as well as 2-D vector flow was implemented. The feasibility of both techniques was tested in healthy subjects (n=6) in vivo. The relationship between the timings of the flow and wall velocities was investigated at multiple locations of the imaged artery. Vector flow velocities were found to be aligned with the vessel’s centerline during peak systole in the common carotid artery and interesting flow patterns were revealed in the case of the carotid bifurcation Consequently, with the aforementioned improvements and the inclusion of 3-D imaging, PWI is expected to provide comprehensive information on the mechanical properties of pathological arteries, providing clinicians with a powerful tool for the early detection of vascular abnormalities undetectable on the B-mode, while also enabling the monitoring of fully developed vascular pathology and of the recovery of post-operated vessels.

RESUME DES TRAVAUX<p><p>La rigidification des gros troncs artériels (GTA) est physiologiquement liée à l’âge et s’accélère sous l’influence de certains facteurs de risque cardiovasculaire tels que l’hypertension artérielle (HTA), le diabète, le tabagisme, la dyslipidémie, l’obésité, la consommation excessive de sel, la sédentarité et l’hérédité. Le vieillissement artériel prématuré est un déterminant majeur du risque d’événements cardiovasculaires. Il se caractérise par une altération des propriétés élastiques des GTA, consécutive à l’épaississement de l’intima et surtout de la média se traduisant par une rigidification de leur paroi et une intensification de la réflexion de la courbe de pression aortique. Une artère rigide accélère la vitesse de propagation de l’onde de pouls (VOP) qui en est le marqueur direct et induit par conséquent un retour plus précoce des ondes de pression réfléchies de la périphérie vers l’aorte.<p>Nous avons testé l’hypothèse que le risque accru de maladies cardiovasculaires (MCV) documenté chez les sujets noirs africains serait lié en partie au vieillissement précoce de leurs artères et que son amplification chez les bantous serait largement attribuable aux facteurs environnementaux.<p>A cet effet, nous avons procédé dans un premier temps à la validation de la VOP, de la pression pulsée (pression systolique-pression diastolique) et de l’index d’augmentation de pression (AIx), tous deux dérivés de la courbe de pression aortique comme méthodes de mesure et d’évaluation non invasive de la distensibilité artérielle chez les sujets normotendus. Nos résultats révèlent que la stimulation bêta-adrénergique non cardio-sélective par l’isoproterenol atténue de façon significative la réflexion des ondes de pression aortique et augmente nettement la pression pulsée (PP) aortique alors que la VOP aortique qui constitue la mesure de référence de l’élasticité artérielle n’est pas affectée. Ces résultats suggèrent dès lors que la PP et l’AIx ne sont pas des marqueurs fiables de la rigidité artérielle lors de la stimulation bêta-adrénergique.<p><p>Nous avons ensuite évalué l’amplitude de cet effet de l’isoproterenol sur la paroi artérielle du sujet noir africain. C’est ainsi que nous avons observé que la stimulation bêta-adrénergique par l’isoproterenol engendre une accélération de la VOP aortique chez les sujets noirs, contrairement aux sujets caucasiens chez qui elle la ralentit considérablement. Ce résultat suggère que l’altération précoce des propriétés structurelles et fonctionnelles de la paroi aortique des sujets noirs sous l’effet de divers stress pourrait contribuer à la sévérité et à la précocité des MCV couramment rapportées au sein de ce groupe ethnique.<p><p>Nous avons ensuite testé une série d’hypothèses nécessitant des mesures non invasives de l’élasticité artérielle au sein de populations particulières au Cameroun.<p>C’est ainsi que nous avons investigué l’effet de l’anémie falciforme sur la rigidité artérielle et la réflexion de la courbe de pression aortique. L’hypothèse testée était que les complications cardiovasculaires couramment rapportées chez les drépanocytaires seraient dues à l’altération des propriétés viscoélastiques de leur paroi artérielle. Cette seconde partie de nos travaux nous a permis de démontrer que les patients drépanocytaires souffrant de la forme homozygote d’anémie falciforme (SS) ont des artères centrales aortiques très souples et des artères périphériques musculaires moins rigides. En effet, leur VOP est ralentie et leurs ondes de réflexion de la périphérie vers l’aorte sont fortement atténuées en comparaison aux contrôles sains (AA). L’anémie falciforme et la pression artérielle moyenne (PAM) sont apparues comme étant des déterminants indépendants de l’état d’élasticité aortique dans notre population d’étude (SS et AA). Cette étude a révélé toutefois une accélération paradoxale des VOP radiale et aortique dans les zones de basse pression artérielle, suggérant un effet délétère vasculaire de l’hypotension artérielle sévère chronique sur la paroi aortique.<p><p>Enfin, dans le troisième volet de notre travail, nous avons évalué l’effet du mode de vie chasseurs-pêcheurs-cueilleurs sur l’état d’élasticité aortique des pygmées traditionnels (TP) Camerounais. Nos travaux révèlent que ces TP ont des artères plus élastiques illustrées par une faible accélération de leur VOP aortique, comparée à celles des pygmées contemporains (CP) et des agriculteurs bantous partageant le même environnement semi-urbain et soumis tous à un mode de vie de type occidental. Fait important, cette faible accélération de la VOP aortique des TP est indépendante de la PAM et de leur âge chronologique qui en constituent pourtant des déterminants majeurs classiques bien documentés. Par contre, cette différence d’élasticité aortique entre TP, CP et bantous s’estompe nettement après correction pour le poids corporel.<p>Dans le même ordre d’idées, nous avons également démontré qu’en dépit de leur petite taille, les pygmées traditionnels réfléchissent leurs ondes de pression de la périphérie vers l’aorte avec une amplitude similaire à celle des pygmées contemporains et des bantous semi urbains.<p><p> <p>Conclusion.<p>Les résultats de nos travaux confortent la VOP comme marqueur de référence de la rigidité artérielle et suggèrent un vieillissement précoce de l’aorte chez les sujets noirs pouvant expliquer en partie la sévérité et la précocité des MCV couramment rapportées chez eux. Ce phénomène s’illustre notamment par l’accélération de la VOP aortique induite par l’isoproterenol chez les sujets noirs africains contrairement aux sujets caucasiens, chez qui la stimulation bêta-adrénergique par isoproterenol s’accompagne d’un ralentissement considérable de la VOP aortique. Cependant, l’état drépanocytaire pourrait atténuer et ralentir ce phénomène de vieillissement vasculaire précoce, ceci en dépit d’une accélération paradoxale de la VOP par l’hypotension artérielle chronique. Enfin, le mode de vie chasseurs-pêcheurs-cueilleurs protègerait l’aorte des pygmées traditionnels contre le risque de vieillissement prématuré, ceci indépendamment de la pression artérielle moyenne et de l’âge chronologique.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Introduction – Objectives. The cardiovascular system is in direct and constant interaction with its environment. Exposure to various environmental parameters, such as low temperature, air pollution and tobacco smoke, has been strongly associated with serious or even fatal cardiovascular outcomes. Arterial stiffening and greater wave reflection are age-related vascular modifications that lead to an increased risk of cardiovascular events. The aim of this work was to explore the relationship between selected environmental factors and arterial elastic properties in an effort to elucidate the underlying mechanisms that link these factors to increased cardiovascular mortality.<p><p>Study 1: Effects of cold exposure on central and peripheral vascular tone. Our first study explored the effects of cold exposure on aortic stiffness and peripheral microvascular tone. We observed that cold exposure, in addition to its chronotropic effects, provoked an increase in aortic stiffness, as assessed by aortic pulse wave velocity, as well as significant vasoconstriction of peripheral arterioles in the microcirculation. Moreover, we explored the magnitude of this effect in a different population (Black subjects of African origin), which is traditionally characterized by exaggerated reactions to adrenergic stimuli. We noted that the vascular reactions, in terms of both aortic stiffness and microvascular vasoconstriction, were more profound in Black Africans than in age-matched Caucasian-Whites. These results argue for a direct effect of cold exposure on arterial stiffness and peripheral vascular tone, probably through activation of the orthosympathetic system.<p><p>Study 2: Exposure to ambient particulate matter and arterial stiffness. We explored the effects of acute exposure to outdoor particulate matter on aortic stiffness and aortic wave reflection. We studied the relationship between central hemodynamic parameters and ambient concentration of particulate matter in a population of patients who attended the Hypertension Clinics of Athens University. After statistical correction for a number of potential confounders, we did not observe an association between ambient concentrations of particulate matter and aortic stiffness. However, in men, particulate matter concentration was related to the amplitude of the reflected wave reaching the aorta from the periphery. These results suggest a direct acute interaction between particulate matter concentration and vascular tone, leading to an enhanced arterial wave reflection.<p><p>Study 3: The role of nicotine on the vascular effects of environmental tobacco smoke. Environmental tobacco smoke is considered as the most important source of particulate matter in the indoor environment. We recently demonstrated that exposure to tobacco smoke augmented wave reflection, an effect that was not seen after equivalent exposure to the smoke of non-tobacco, herbal cigarettes. We also noticed that the increased wave reflection was proportional to the plasma concentrations of nicotine. However, a direct causal effect between nicotine, arterial wave reflection and aortic stiffness has never been clearly demonstrated. We observed that increasing nicotine plasma concentration to levels comparable to those seen after extensive exposure to environmental tobacco smoke, provoked an increase in both aortic stiffness and arterial wave reflection after correction for heart rate and blood pressure changes. These results confirm the significant participation of nicotine in the vascular effects of passive smoking.<p><p>Conclusions. Globally, our results reveal the deleterious effects of cold, particulate matter exposure, and nicotinic stimulation on arterial stiffness, peripheral microcirculation and aortic wave reflection. The hemodynamic modifications associated with these effects may at least partially explain the causal relation between cold exposure, ambient air pollution and cardiovascular mortality.<p><p>Introduction-Objectifs. Le système cardiovasculaire est en relation directe et constante avec l’environnement. L’exposition au froid, la pollution atmosphérique et le tabagisme passif sont associés à des événements cardiovasculaires aigus graves et même fatals. La rigidification des artères et l’intensification de la réflexion de l’onde de pouls au niveau de l’aorte accompagnent le vieillissement et prédisent un risque cardiovasculaire accru. Nous avons testés l’hypothèse que les effets cardiovasculaires délétères des facteurs environnementaux comportent une altération des propriétés élastiques artérielles. Ceci pourrait être un des mécanismes physiopathologiques qui lie la mortalité cardiovasculaire aux variables environnementales.<p><p>Étude 1 :Exposition au froid ;effets centraux et périphériques. Notre première étude portait sur l’effet de l’exposition au froid sur la rigidité aortique et le tonus vasculaire des artérioles périphériques. Nous avons démontré que l’exposition au froid, hormis ses effets chronotropes, provoquait une augmentation de la rigidité artérielle – mesuré par la vitesse de l’onde de pouls au niveau de l’aorte - ainsi qu’une vasoconstriction importante au niveau des artérioles de la microcirculation. Nous avons ensuite déterminé l’amplitude de cet effet dans une autre population (sujets Africains-Noirs) qui se caractérise par des réactions plus prononcées aux différentes stimulations adrénergiques. Nous avons observé que les réactions vasculaires, tant au niveau de la rigidité aortique qu’au niveau de la microcirculation, étaient plus marquées chez les Africains-Noirs que chez les Caucasiens. Ces résultats révèlent un effet délétère de l’exposition au froid sur la rigidité aortique et le tonus vasculaire des artères périphériques, probablement via une activation du système orthosympathique.<p><p>Étude 2 :Exposition aux microparticules atmosphériques et rigidité artérielle. Nous avons ensuite investigué les effets de la pollution atmosphérique sur la rigidité artérielle et la réflexion de l’onde de pouls vers l’aorte. Nous avons étudié la relation entre les paramètres hémodynamiques centraux et la concentration atmosphérique de microparticules dans une population de patients qui ont consulté la Clinique Universitaire d’Hypertension Artérielle d’Athènes. Après correction statistique pour les facteurs confondants, nous n’avons pas observé de corrélation entre la rigidité artérielle et le taux de microparticules atmosphériques dans l’ensemble de la population investiguée. Par contre, si on restreint l’analyse aux résultats obtenus chez les sujets masculins, on s’aperçoit que la concentration atmosphérique de microparticules était associée de façon significative avec l’amplitude de l’onde réfléchie par la périphérie vers l’aorte et la pression pulsée aortique. Ces résultants suggèrent un effet direct des microparticules au niveau de la microcirculation. L’augmentation de l’amplitude de l’onde réfléchie consécutive à une vasoconstriction périphérique, modifie vraisemblablement les pressions au niveau de l’aorte chez le sujet masculin lors de pics de pollution.<p><p>Etude 3 :Le rôle de la nicotine dans les effets vasculaires du tabagisme passif. Le tabagisme passif est considéré comme la source la plus importante d’émission de microparticules au niveau domestique. Cependant, la composition chimique des particules semble jouer un rôle essentiel sur les ondes de réflexion. Nous avons démontré récemment que l’exposition passive à la fumée des cigarettes du tabac augmente l’intensité de la réflexion de l’onde de pouls. Ceci n’a pas été observé avec l’exposition à la fumée des cigarettes non tabagiques, en dépit d’une concentration ambiante tout à fait comparable de microparticules. Par ailleurs, nous avons observé que l’augmentation de l’incidence de l’onde de pouls au niveau de l’aorte était fortement associée à la concentration plasmatique de la nicotine. Un lien causal entre la nicotine, réflexion de l’onde de pouls et rigidité artérielle n’avait jamais clairement été établi. Nous avons testé cette hypothèse en administrant la nicotine pure chez des sujets sains. Nous avons observé que l’augmentation des taux plasmatiques de la nicotine à des valeurs comparables à celles qui surviennent après une exposition intensive au tabagisme passif, intensifiait la réflexion de l’onde de pouls et augmentait la rigidité artérielle. La correction statistique pour l’augmentation de la fréquence cardiaque et l’augmentation de la pression artérielle en réponse à la nicotine ne modifiait pas ces conclusions. Nos résultats démontrent ainsi les effets cardiovasculaires importants de faibles concentrations de nicotine, similaires à ceux qui sont atteints en cas d’exposition à un tabagisme passif.<p><p>Conclusions. Nos résultats révèlent les effets néfastes de l’exposition au froid et aux microparticules atmosphériques sur la rigidité artérielle, la microcirculation périphérique et la réflexion de l’onde de pouls. Nous avons pu également démontrer le rôle de la stimulation nicotinique dans les effets vasculaires aigus du tabagisme passif, comme en témoigne l’augmentation de la réflexion de l’onde de pouls au niveau aortique. Ces modifications hémodynamiques favorisent l’ischémie myocardique, et constituent un des mécanismes par lesquels l’exposition au froid et à la pollution atmosphérique favorisent la pathologie cardiovasculaire.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished