Un substitut osseux hybride, composé d’un biomatériau support (scaffold) et de cellules vivantes, a été étudié, développé par la méthode d’ingénierie tissulaire et caractérisé. Il devait répondre aux attentes spécifiques de la chirurgie maxillofaciale : un protocole standard pouvant s’adapter aux géométries complexes des défauts osseux de chaque patient, une forme souple et manipulable, une pré-vascularisation et une cohésion mécanique suffisante. Une forme de feuillet fin et plat a ainsi été définie et développée au sein d’une chambre de culture parallélépipédique spécifique, en utilisant une monocouche de granules de phosphate de calcium comme support. Après une caractérisation biologique et mécanique complète à partir d’une lignée cellulaire, le procédé a été validé puis transposé à une coculture de cellules primaires humaines (cellules souches et endothéliales). La bonne différenciation et la pré-vascularisation ont été constatées mais le maintien mécanique pouvait être considéré comme insuffisant pour assurer une manipulation en cours d’opération chirurgicale. La dernière partie de ce travail de thèse a donc consisté dans la mise en place d’un montage de production de fibres électrospinnées et leur utilisation comme nouveau support de culture. La formation de ces matériaux a été rendue opérationnelle de façon optimale pour différents polymères. Leur potentiel en tant que scaffold favorisant la différenciation en os ou en tendon a été vérifié et comparé à d’autres matériaux fibreux obtenus dans le cadre de collaborations nationales et internationales. La faisabilité de l’application de sollicitations mécaniques aux substituts en cours de culture a également été étudiée. / An hybrid bone substitute, based on a specific biomaterial (scaffold) and living cells, was studied, developed with a tissue engineered method and characterized. It should meet the expectations of the maxillofacial surgery : a standard process which could fit with the complex geometries of each patient’s bone mass loss, a flexible shape with an easy handling, a prevascularization and a sufficient mechanical cohesion. A sheet-like shape was thus designed and developed in a specific flat cell culture chamber, with a monolayer of calcium phosphate granules as a scaffold. After both biological and mechanical full characterizations with a cell line, the process was adapted to a coculture of human primary cells (stem and endothelial cells). Relevant differentiation and prevascularization were highlighted but the mechanical cohesion could be noticed as too low to ensure an easy handling during the surgery. The last part of this thesis project was thus the set-up of a device for electrospun polymer fibers in order to use them as a new scaffold. The production of these materials was efficiently performed for several polymers. The differentiation potential for bone and tendon lineages was studied and compared to other scaffolds from national and international collaborations. The application of mechanical solicitations to the substitutes during cellculture was also studied.

L’exposition au régime occidental (Western diet, WD) pendant les périodes critiques du développement est considérée comme un facteur majeur dans l’apparition de l’obésité, notamment morbide, dont le traitement de référence lorsque toutes les autres stratégies (e.g. régime) ont échoué reste la chirurgie bariatrique. Mais la lourdeur de la procédure, associée à certains risques et échecs, justifie le développement de thérapies alternatives. Pour cela, il est essentiel de bien connaître les phénotypes neurocognitifs régulant le comportement alimentaire. L’objectif de cette thèse était d’étudier la dynamique neuro-comportementale hédonique et cognitive d’individus jeunes adultes ayant été exposés au WD soit pendant la période périnatale (projet SLK), soit à l’adolescence (projet HOS), à la fois sur le miniporc (SLK+HOS) et chez l’Homme (HOS). Pour le projet HOS, les tests ont été menés sur des individus normopondéraux (humain et porc), obèses (porc), puis après une perte de poids induite par une restriction calorique associée ou non à un bypass gastrique (porc). Nous avons utilisé des approches psycho-comportementales (tests, questionnaires) et de l’imagerie cérébrale (TEP, SPECT, IRMf). Chez le miniporc, l’exposition périnatale au WD confère un phénotype cérébral « obèse » et augmente la susceptibilité des descendants au stress, tandis que l’exposition à l’adolescence induit un phénotype cérébral évoquant les troubles addictifs tout en altérant la mémoire de travail. L’étude pilote humaine a permis d’identifier les aires cérébrales recrutées en situation de choix alimentaire posant un dilemme, en particulier le cortex cingulaire et le fusiforme-occipital. L’obésité provoque des attitudes anxio-dépressives associées au grignotage. La perte de poids rétablit un comportement normal et montre une régulation attentionnelle cérébrale en réponse au sucre. Une modulation neuronale par les hormones digestives et/ou le microbiote est fortement soupçonnée. Les analyses physiologiques, histologiques et métabolomiques programmées en perspective de ce travail de thèse devraient apporter des réponses précieuses pour comprendre comment l’axe microbiote-intestin-cerveau est impliqué dans ces modulations neurocognitives induites par le régime et les variations de poids. / The Western diet (WD) exposure during critical developmental periods is considered as a major factor in the development of obesity, notably morbid obesity, of which the reference treatment when all other strategies (e.g. diet) have failed remains the bariatric surgery. But the invasiveness of this procedure, associated with non-negligible risks and failures, justifies the development of alternative therapies. To this aim, it is essential to understand the brain phenotypes regulating eating behavior. The objective of this thesis was to study the hedonic and cognitive neuro-behavioral dynamics in young adults who had been exposed to WD either during the perinatal period (SLK project), during adolescence (HOS project), both in minipig (SLK + HOS) and humans (HOS). For the HOS project, tests were performed on normal-weight subjects (human and pig), obese subjects (pig), and then after weight loss induced by calorie restriction with or without a gastric bypass (pig). We used psycho-behavioral approaches (tests, questionnaires) and brain imaging (PET, SPECT, fMRI). In the minipig, perinatal exposure to WD induced an "obese" cerebral phenotype and increases offspring susceptibility to stress, whereas exposure in adolescents induces an addiction-type cerebral phenotype and alters working memory. The human pilot study allowed to identify brain areas recruited in a food-choice situation involving dilemma, particularly the cingulate cortex and fusiform-occipital. Obesity causes anxio-depressive symptoms associated with snacking. Weight loss restores normal behavior and induced attentional brain regulation in response to sugar. Neuronal modulation by digestive hormones and/or microbiota is strongly suspected. Additional physiological, histological, and metabolomic analyzes should provide valuable answers to understand how the microbiota-gut-brain axis is involved in neurocognitive modulations induced by diet and weight variations.

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L'assurance qualité est une discipline récente dans le domaine médical, d'autant plus en odontologie. Sa mise en oeuvre passe dans notre discipline essentiellement par l'application de règles d'exigences vis-à-vis des dispositifs médicaux utilisés au sein des cabinets dentaires. Les implants, les piliers, les prothèses implantaires mais également les guides chirurgicaux sont des exemples appliqués au domaine implantaire. Cette technique chirurgico-prothétique se doit d'être exécutée dans les meilleurs conditions avec une exigence optimale : chaque acte pouvant avoir des conséquences sur le patient et/ou l'avenir du traitement. Afin de répondre aux exigences d'assurance qualité du traitement implantaire, il semble que les guides chirurgicaux statiques puissent être un moyen afin d'améliorer le placement implantaire impactant donc la qualité de la thérapeutique mise en place. Dans un premier temps, les notions d'assurance qualité et des dispositifs médicaux sont remis en lumière, notamment au travers du filtre de l'implantologie orale. Ensuite, la qualité du traitement implantaire est discutée : des bases historiques jusqu'aux connaissances d'aujourd'hui. Il est important de maitriser l'évolution de cette technique et des outils associées afin de comprendre et donc d'utiliser les outils diagnostics et thérapeutiques à notre disposition aujourd'hui. Le dernier temps de ce travail constitue l'évaluation des outils actuels en implantologie (CFAO, stéréolithographie, chirurgie guide statique, informatique) au travers d'une étude sur sujets anatomiques. Cette étude évalue la précision du positionnement implantaire avec des guides dits conventionnels et des guides de chirurgie guidée statique. Cette précision est évaluée par comparaison des images préalables de planification et des examens tridimensionnels post-opératoires / The quality assurance is a recent discipline in the medical domain, all the more in odontology. Its implementation passes in our discipline essentially by the application of rules of requirements towards medical devices used within dental surgeries. Implants, abutments, implant’s prosthesis but also the surgical guides are examples applied to the domain. This surgico-prosthetic technique owes be executed in the best conditions with an optimal requirement: every act which can have consequences on the patient and/or the future of the treatment. To meet the requirements of quality assurance of the treatment, it seems that the static surgical guides can be a way to improve the placement of implants thus impacting on the quality of the organized therapeutics. At first, the notions of quality assurance and medical devices are handed in light, in particular through the filter of the oral implantology. Then, the quality of the treatment is discussed: historic bases until the knowledge of today. It is important to master the evolution of this technique and tools associated to understand and thus use tools diagnoses and therapeutic at our disposal today. The last time of this work establishes) the evaluation of the current tools implantologie (CAD-CAM, stereolithography, surgery guides static, IT) through a study on anatomical subjects. This study estimates the precision of the implant’s positioning with conventional said guides and guides of static guided surgery. This precision is estimated by comparison of the preliminary images of planning and the post operative threedimensional examinations

L’amygdale est une structure du système nerveux central impliquée dans l’intégration des émotions comme la peur et l’anxiété. Des études ont également montré que l’amygdale peut moduler de façon positive ou négative la douleur par le biais des projections de son noyau de sortie, le noyau central de l’amygdale (CeA), sur les structures impliquées dans les contrôles nociceptifs descendants. Le complexe basolatéral de l’amygdale (BLA), placé en amont du noyau central, est intimement connecté à ce dernier et peut ainsi réguler son fonctionnement. Les données obtenues au cours de ma thèse ont montré l’existence d’un contrôle tonique amygdalien de la nociception et de la douleur, directement dépendant de l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition au sein de la structure. Ainsi la modulation de l’une ou l’autre des neurotransmission influence directement la sortie douloureuse, chez des animaux sains ou neuropathiques. Par ailleurs, nous nous sommes également intéressés à l’étude précise du mode d’action d’une molécule anxiolytique non benzodiazépinique, l’étifoxine (EFX), et à son effet sur le comportement douloureux. Les résultats des injections d’EFX dans le BLA indiquent qu’elle induit une action analgésique chez les animaux neuropathiques, mais ne modifie pas les seuils de sensibilité des animaux sains. Cette action analgésique est dépendante de l’effet indirect neurostéroïdogène de l’EFX. Ceci, associé au fait que l’EFX ne présente pas ou peu d’effets secondaires, en fait une molécule particulièrement intéressante pour un traitement alternatif des douleurs neuropathiques. Dans une dernière partie, nous avons cherché à observer les mécanismes en jeu au niveau cellulaire lorsque l’EFX est appliquée sur les neurones du BLA. Ainsi, nous avons montré que l’EFX potentialise l’inhibition au sein de la structure, via trois mécanismes indépendants ; l’augmentation de la fréquence des courants post-synaptiques inhibiteurs miniatures (mCPSIs), l’augmentation de leur amplitude, et l’augmentation de leur constante de déactivation. Ces deux derniers effets sont dépendants de l’action neurostéroïdogène de l’EFX, tandis que l’effet sur la fréquence des mCPSIs est du à l’action de l’EFX sur le récepteur GABAA. Les résultats de ma thèse ont ainsi permis de montrer l’existence d’un contrôle tonique amygdalien de la douleur, dans le cadre d’animaux neuropathiques, mais également de la nociception, chez des animaux sains. Par ailleurs, la place du complexe basolatéral de l’amygdale, souvent peu prise en compte dans les études sur la douleur, a été redéfinie. Ce complexe doit être pris en considération dans le circuit de la douleur et son rôle de pilote du noyau central de l’amygdale ne doit pas être négligé. / The amygdala is a major control center of the emotions, but also integrates sensory, especially nociceptive information. Cortical afferents to the amygdala largely target its basolateral complex. The basolateral amygdala (BLA) then projects to the central amygdala nucleus, which in turn projects densely to the periaqueductal gray and thus can drive a behavioural output via the spinal cord. Data obtained during my thesis have shown that the balance between excitation and inhibition in the BLA triggers an tonic control of pain. Therefore modulating one of the neurotransmission directly influences the pain threshold of control or nociceptive mice. My thesis work also focused on the functioning of an anxiolytic and non benzodiazepinic drug ; Etifoxin (EFX). This molecule as a positive modulator of GABAA receptors and indirectly by increasing the synthesis of neurosteroids, also known as strong modulator of these receptors. In our team, we already showed that EFX has anti-nociceptive effects when injected intraperitonealy in rats. Here we wanted to determine the action of EFX on pain descending control drive by BLA. We showed that EFX infusion in the BLA seems to be anti-nociceptive, inducing a recover of the pre-cuff mechanical threshold level. We also used a patch-clamp approach to study directly in vitro the modulation of the inhibitory synaptic transmission produced by EFX. We showed that EFX potentiate the inhibition in BLA neurons via different and complementary mechanisms. These potentiating effects are mostly dependent of a neurosteroidogenesis increase.

Le diagnostic, le traitement chirurgical et le suivi des anévrismes intracrâniens opérés reposaient classiquement sur l'artériographie cérébrale conventionnelle. Récemment, des améliorations de la technique d'angiographie elle-même (angiographie cérébrale tridimensionnelle) ou de nouvelles méthodes d'imagerie (IRM et angioscanner cérébral) se sont développées et sont devenues assez performantes pour compléter ou parfois supplanter la technique de référence. L'objectif de ce travail a donc été d'évaluer l'apport de ces nouvelles techniques d'imagerie aux différentes étapes de la prise en charge chirurgicale des anévrismes intracrâniens.<br />Les progrès apportés aux appareils d'angioscanner cérébral (scanners multi-détecteurs) ont ouvert la voie du bilan initial des anévrismes rompus à un examen plus accessible, plus confortable, plus rapide et non invasif. Au cours de ce travail, nous avons étudié cette technique à la phase diagnostique et montré la possibilité grâce à celle-ci de diriger les patients de façon fiable vers le traitement chirurgical ou endovasculaire. Certains anévrismes, comme les anévrismes paraclinoïdiens, sont de part leurs rapports anatomiques plus difficiles à traiter chirurgicalement. Sélectionner dans ce groupe d'anévrismes ceux qui nécessitent potentiellement d'être exclus (anévrismes intraduraux) est donc primordial. Dans un premier temps, nous avons développé, à l'aide d'un modèle radio-anatomique dédié, un protocole d'IRM (1.5 Tesla) permettant cette analyse, puis nous avons évalué et montré l'intérêt de celui-ci dans la prise en charge d'une population de patients porteurs d'anévrismes paraclinoïdiens, et, enfin nous avons optimisé le protocole lui-même à l'aide d'une machine d'IRM utilisant un aimant plus puissant (3.0 Tesla) et offrant une résolution spatiale supérieure.<br />Avec les progrès du traitement endovasculaire, les anévrismes orientés vers le traitement chirurgical sont plus fréquemment complexes. Les outils permettant d'optimiser le planning pré-opératoire, la décision peropératoire ou le geste chirurgical lui-même vont permettre d'améliorer les résultats de la chirurgie. Nos travaux ont permis de potentialiser l'aide apportée dans ces domaines par l'angiographie rotationnelle tridimensionnelle. Nous avons, d'une part, mis en oeuvre un protocole permettant d'obtenir de façon semi-automatisée la vue 3D de l'arbre vasculaire porteur de l'anévrisme orientée selon la disposition opératoire. D'autre part, nous avons montré l'intérêt de la réalisation d'une angiographie rotationnelle biplan peropératoire comme aide directe au geste chirurgical (contrôle proximal de l'anévrisme avec occlusion carotidienne par ballonnet ou recherche immédiate d'un reliquat).<br />Le contrôle post-opératoire de la qualité du traitement chirurgical est devenu également une priorité. Si l'ARM s'est progressivement imposée dans de nombreux centres comme l'examen privilégié du contrôle des anévrismes embolisés, l'angiographie conventionnelle, examen invasif, restait encore la référence pour les anévrismes traités chirurgicalement. Nos travaux ont permis d'évaluer l'intérêt et les limites de l'angioscanner cérébral 64-détecteurs pour le contrôle post-opératoire immédiat des anévrismes traités par technique de clippage standard, et pour la mise en évidence de la perméabilité d'un pontage extracrânien-intracrânien associé au traitement d'un anévrisme intracrânien.<br />En conclusion, les nouvelles techniques d'imagerie vasculaire cérébrale étudiées dans notre travail permettent d'optimiser à tous les stades la prise en charge chirurgicale des anévrismes intracrâniens. Le développement de nouveaux logiciels de post-traitement d'image (Amira®) pourrait permettre dans un avenir proche et à partir de l'angioscanner de simuler la taille et l'orientation à la pose du ou des clips au niveau du collet anévrismal.

Ces travaux de recherche sont axés sur la modélisation et la simulation des tissus mous pour le vivant.<br />Nous avons proposé un nouveau modèle mécanique discret qui permet de simuler des interactions entre objets biologiques ou médicaux, et développé un environnement et des outils logiciels afin de fournir un cadre pour la comparaison et la validation de modèles physiques.<br />Cet environnement a ainsi permis de comparer mon modèle à d'autres approches.<br /><br />Le modèle développé a été utilisé dans différentes problématiques applicatives cliniques et de biologie.<br />En GMCAO il s'agit d'aider le chirurgien ou le praticien dans son diagnostic (étude et simulation des mouvements respiratoires) ou dans son geste (modélisation de la prostate et des gestes de biopsie et de curiethérapie). <br />En biologie cellulaire, il s'agit d'étudier des phénomènes au niveau cellulaire ou de reproduire des expériences de micro-manipulations dont les modèles classiquement utilisés dans ce contexte ne rendent pas bien compte.<br /><br />Ce mémoire peut se décomposer en trois parties : le chapitre 1 présente une introduction générale au sujet de la modélisation des tissus mous pour les GMCAO et la biologie cellulaire ; les chapitres 2 à 5 présentent mes travaux de modélisation et de validation et leurs applications ; enfin, le chapitre 6 présente mes perspectives de recherche.<br />On trouvera en annexe A une synthèse de mes activités dans un CV court.<br />Ces travaux ont donné lieu à des encadrements d'étudiants (annexe B) et à des collaborations scientifiques et cliniques (annexe C).<br />Un résumé de mes contributions ainsi que les publications scientifiques et cliniques les plus significatives sont présentés en annexes D et E.

La localisation précise de la cible chirurgicale est essentielle pour réduire la morbidité au cours de l'exérèse chirurgicale d'une tumeur cérébrale. Lorsque les dimensions de la craniotomie sont importantes, une déformation des tissus mous du cerveau peut survenir au cours de l'intervention. Du fait de ce `brain-shift', les données pré-opératoires ne correspondent plus à la réalité et la neuronavigation s'en trouve fortement compromise. Afin de prendre en compte ces effets, nous proposons un système de navigation passive permettant de localiser les ancillaires par rapport à la position rectifiée des structures anatomiques. Avant l'intervention une angiographie par résonance magnétique (ARM) du cerveau du patient est acquise. Après installation au bloc opératoire, le volume ARM définissant la configuration initiale de l'arbre vasculaire cérébral est rigidement recalé par rapport à la tête du patient. Au cours de l'intervention, suite à une déformation importante du cerveau, le chirurgien effectue un balayage échographique Doppler de la région d'intérêt. L'arbre vasculaire initial est recalé élastiquement vers sa configuration déformée, segmentée dans les images US localisées, et le champ de déplacements résultant est ensuite étendu à l'ensemble du volume de l'organe par le biais d'un modèle biomécanique spécifique au patient. La déformation globale ainsi calculée permet de mettre à jour les données pré-opératoires et rectifier le planning chirurgical initial. Notre système fournit une réponse rapide, robuste et précise au chirurgien et lui offre la possibilité de valider la pertinence de la déformation calculée avant toute modification du planning.

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On assiste depuis quelques années à l'émergence d'une robotique médicale proposée pour accroître la précision des actes, améliorer les conditions de travail de l'équipe chirurgicale et le confort du patient. Nos recherches s'inscrivent dans le projet national EndoXiroB du RNTS dont l'objectif est la réalisation d'un ensemble robotisé de chirurgie mini-invasive. Elles sont dédiées à la conception et à la réalisation, en s'appuyant sur les technologies microsystèmes, d' une instrumentation chirurgicale poly-articulée équipée d'outils terminaux intégrés permettant une mesure des efforts et une découpe thermo-coagulante des tissus vivants. Nous présenterons une description complète de notre proposition qui consiste en une articulation poly-articulée innovante, proche du type « corps de serpent ». Cette articulation, commandée par quatre ou six fils, est composée de liaisons rotules plastiques accompagnées par plusieurs fils métalliques assurant à l'ensemble une rigidité en torsion et flexion. Nous décrirons nos travaux sur la conception microsystème d'un capteur d'effort deux axes pour mesurer des forces de tiraillement sur les tissus. Le microsystème utilise deux niveaux de silicium intégrant un corps d'épreuve à quatre branches orthogonales et un ensemble d'électrodes capacitives inter-digitées.Nous exposerons nos premières études sur la conception de lames thermo-chauffantes pour la découpe et la coagulation des tissus. Ces études sont basées sur la réalisation de lames en technologie silicium. Au-delà de la simple découpe et de la mesure des efforts, on peut imaginer d'intégrer d'autres micro-capteurs sur les outils chirurgicaux. Il serait ainsi possible d'augmenter la sécurité de l'acte chirurgical en évaluant, par exemple, la présence d'artères, de vaisseaux ou de nerfs à proximité de l'outil de chirurgie. Pour finir, nous proposerons une réflexion plus prospective basée sur la miniaturisation d'un robot portable intégrant un dispositif compact pour actionner l'a rticulation terminale de l'instrument chirurgical. Au-delà de cette réflexion, une solution extrême consisterait dans le futur à transférer tous les degrés de liberté d'un système robotisé à l'intérieur de la cavité opératoire.