La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) touche un garçon sur 3500, contraint à l'usage du fauteuil roulant à l'âge de 10 ans, et entraîne le décès à une vingtaine d'années. Cette maladie demeure incurable, et les pistes thérapeutiques envisagées nécessitent d'être validées en amont, dans les modèles murins, puis au stade pré-clinique, dans les modèles canins.L'un d'eux, le chien GRMD (Golden Retriever Muscular Dystrophy), est le plus largement utilisé, et présente l'intérêt de partager, avec le patient qu'il modélise, de nombreuses similitudes génotypiques et phénotypiques. Les différentes fonctions touchées doivent donc pouvoir faire l'objet de mesures objectives et quantitatives, à l'aide d'outils dédiés. Par ailleurs, une problématique inhérente à l'utilisation de ce modèle est sa grande variabilité sur le plan phénotypique.L'objectif du travail mené ici a été de développer des outils d'évaluation du chien GRMD, afin de mieux connaître et maîtriser cette hétérogénéité clinique.La mesure de force de flexion du tarse a permis de démontrer que la force tétanique maximale pouvait être utilisée comme indice d'évaluation à différents stades de la maladie, sans que le déficit de force musculaire puisse être relié à l'atteinte motrice globale. De plus, la relaxation s'est avérée altérée chez les chiens GRMD, en corrélation avec leur atteinte motrice.La locomotion, évaluée par accélérométrie tri-dimensionnelle, a pu montrer des altérations multiples, mesurées par différentes variables. Certaines variables sont altérées de manière précoce, tandis que d'autres anomalies s'installent durant les premiers mois, traduisant l'aggravation de la fonction locomotrice.La dysfonction respiratoire, évaluée par spirométrie en respiration de Tidal, et cinématique diaphragmatique sur images radioscopiques, a également pu être objectivée par différents indices. Une moindre mobilité diaphragmatique, une rétraction caudale du diaphragme, et un effondrement du débit expiratoire en fin d'expiration, s'installent au cours des premiers mois.Afin de contrôler l'hétérogénéité clinique ainsi mesurée, une recherche de marqueurs prédictifs de l'évolution clinique a été menée. Différents indices histologiques et cliniques ont été évalués sur leur valeur pronostique à un stade précoce. La fréquence des cycles locomoteurs à 2 mois et le défaut de relaxation à 4 mois se sont avérés prédictifs de formes accélérées.Enfin, les différents outils mis en place ont été évalués dans le cadre du suivi d'animaux au cours d'un essai thérapeutique, qui a, de plus, permis de disposer d'une population de référence sous traitement immunosuppresseur. Une amélioration fonctionnelle des animaux traités a pu être démontrée par nombre des indices mesurés.Ces résultats démontrent que les outils développés sont utilisables au cours d'essais pré-cliniques, et permettent, malgré l'hétérogénéité clinique qu'ils mesurent, de démontrer un bénéfice fonctionnel. Plus largement, ces données permettent d'optimiser l'utilisation pré-clinique du modèle GRMD.

To investigate the role of muscles in the development of adolescent idiopathic scoliosis (AIS), our group was initially interested in Duchenne muscular dystrophy (DMD) diseases where a muscular degeneration often leads to scoliosis. Few years ago the studies with those patients provided interesting results but were obtained only from few patients. To increase that number, the present project was initiated but recruitment of new DMD patients from Marie-Enfant hospital was found impossible. As an alternative, patients with Friedreich’s ataxia (FA) were recruited since they also suffer from a muscular deficiency which often induces a scoliosis. So, 4 FA patients and 4 healthy controls have been chosen to closely match the age, weight and body mass indexes (BMI) of the patients were enrolled in our experiments. As in the previous study, electromyography (EMG) activity of paraspinal muscles were recorded on each side of the spine during three types of contraction at 2 different maximum voluntary contractions (MVC). Moreover, the volume and skinfold thickness of these muscles were determined from ultrasound images (US) in order to facilitate the interpretation of EMG signals recorded on the skin surface. For the 3 FA right scoliotic patients, EMG activity was most of the time larger on the concave side of the deviation. The opposite was found for the 4th one (P4, left scoliosis, 32°) for whom EMG activity was larger on the convex side; it should however be noted that all his signals were of small amplitude. This was associated to a muscle weakness and a large skinfold thickness (12 mm) vs 7 mm for the 3 others. As for the paraspinal muscle volume, it was present on the convex side of P1, P3 and P4 and on the concave side for P2. As for skinfold thickness over this muscle, it was larger on the concave side for P1 and P2 and the opposite for P3 and P4. At the apex of each curve, the volume and skinfold thickness differences were the largest. Although the study covers only a small number of FA patients, the presence of larger EMG signals on the concave side of a spinal deformation is similar to pre-scoliotic DMD patients for whom the deformation is in its initial stage. It thus seems that our FA patients with more EMG activity on their concave side could see progression of their spinal deformation in the coming months in spite of their already important Cobb angle. / Pour étudier le rôle des muscles dans le développement de la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA), d’abord notre groupe était intéressé par la myopathie de Duchenne (DMD) où une dégénérescence musculaire conduit souvent à la scoliose. Il y a quelques années, des résultats intéressants étaient obtenus par les études avec ces patients, mais seulement de quelques patients. Pour augmenter ce nombre, le présent projet a été lancé, mais le recrutement de nouveaux patients atteints de DMD a été trouvé impossible dans l’hôpital de Marie-Enfant. Comme alternative, les patients atteints de l’ataxie de Friedriech (AF) ont recruté qui provoque un affaiblissement musculaire menant souvent à une scoliose. Ainsi, 4 patients AF et 4 jeunes sains asymptomatiques constituant le groupe contrôle ont été recruté dans nos expériences. Comme dans l’étude précédente, les signaux électromyographiques (EMG) des muscles paraspinaux ont été captés lors de 3 types de contraction à deux différentes contractions volontaires maximales. En outre, l'épaisseur du pli cutané et du volume de ces muscles ont été déterminées à partir des images échographiques en vue de faciliter l’interprétation des signaux EMG enregistrés à la surface de la peau. Pour les 3 patients présentaient une scoliose à droite, une activité EMG a été la plupart du temps plus grande sur le côté concave de la déviation. Le contraire a été trouvé chez le 4ième patient (scoliose à gauche, 32°) chez qui l’activité EMG était plus grande sur le côté convexe. Il est à noter que ses signaux EMG étaient très faibles dû à une faiblesse musculaire et à une épaisseur du pli cutané plus grande (12 mm vs 7 mm) pour les 3 autres. En ce qui concerne le volume des muscles paraspinaux, il était plus grand du côté convexe pour P1, P3 et P4 et du côté concave pour P2. Quant à l'épaisseur du pli cutané au-dessus des paraspinaux, il était plus grand du côté concave pour P1 et P2 et c’était l'inverse pour P3 et P4. Ces différences de volume et d'épaisseur du pli cutané étaient plus grandes au voisinage de l’apex des courbes scoliotiques. Bien que l'étude ne porte que sur un petit nombre de patients atteints de l’ataxie de Friedreich (AF), la présence de signaux EMG plus grands du côté concave de leur déformation vertébrale est à le semblable de ce que nous avons observé chez les patients DMD chez qui une scoliose débutait, une plus grande activité EMG a été détectée sur le côté concave. Il semble donc que les patients AF ayant une activité EMG plus grande du côté concave, pourraient voir leur déformation progresser au cours des prochains mois malgré le fait que leur angle de Cobb soit déjà important.

Combustion instability due to feedback coupling between unsteady heat release and natural acoustic modes can cause catastrophic failure in liquid rocket engines and to predict and prevent these instabilities the mechanisms that drive them must be further elucidated. With this goal in mind, the objective of this thesis was to develop techniques that improve the understanding of the specific underlying physical processes involved in these driving mechanisms. In particular, this work sought to develop a small-scale, optically accessible liquid rocket engine simulator and to apply modern, high-speed diagnostic techniques to characterize the reacting flow and acoustic field within the simulator. Specifically, high-speed (10 kHz), simultaneous data were acquired while the simulator was experiencing a 170 Hz combustion instability using particle image velocimetry, OH planar laser induced fluorescence, CH* chemiluminescence, and dynamic pressure measurements. In addition, this work sought to develop approaches to reduce the large quantities of data acquired, extracting key physical phenomena involved in the driving mechanisms. The initial data reduction approach was chosen based on the fact that the combustion instability problem is often simplified to the point that it can be characterized by an approximately linear constant coefficient system of equations. Consistent with this simplification, the experimental data were analyzed by the dynamic mode decomposition method. The developed approach to apply the dynamic mode decomposition to simultaneously acquired data located a coupled hydrodynamic/combustion/acoustic mode at 1017 Hz. On the other hand, the dynamic mode decomposition's assumed constant operator approach failed to locate any modes of interest near 170 Hz. This led to the development of two new data analysis techniques based on the dynamic mode decomposition and Floquet theory that assume that the experiment is governed by a linear, periodic system of equations. The new periodic-operator data analysis techniques, the Floquet decomposition and the ensemble Floquet decomposition, approximate, from experimental data, the largest moduli Floquet multipliers, which determine the stability of the periodic solution trajectory of the system. The unstable experiment dataset was analyzed with these techniques and the ensemble Floquet decomposition analysis found a large modulus Floquet multiplier and associated mode with a frequency of 169.6 Hz. Furthermore, the approximate Rayleigh criterion indicated that this mode was unstable with respect to combustion instability. Overall, based on the positive finding that the ensemble Floquet decomposition was able to locate an unstable combustion mode at 170 Hz when the operator's time period was set to 1 ms, suggests that the dynamic mode decomposition based 1017 Hz mode parametrically forces the 170 Hz mode, resulting in what could be characterized as a parametric combustion instability.

La fabrication additive est une famille de procédés permettant de construire des pièces finies, saines, de géométries très complexes, tout en diminuant le temps de développement des pièces, les coûts et les délais vis-à-vis des techniques de fabrication conventionnelles. Le point commun à tous ces procédés est de construire une pièce directement à partir des données CAO définissant sa géométrie sans outillage autre que la machine de fabrication additive.Cette thèse de Doctorat s'inscrit dans le projet de recherche FALAFEL (Fabrication Additive par procédé LAser et Faisceaux d’ÉLectrons) rassemblant les filières aéronautique et procédés laser dans le but de mettre en œuvre, d’améliorer et de valider des procédés de fabrication additive de pièces métalliques, dans des conditions industrielles et sur des composants aéronautiques.L'objectif est de proposer un modèle numérique permettant d’obtenir, dans des temps raisonnables, des informations sur les caractéristiques thermique, métallurgique et mécanique de pièces industrielles en titane Ti-6Al-4V destinées à être fabriquées par deux procédés de fabrication additive : la projection de poudre (Direct Metal Deposition ou DMD) et la fusion laser sélective (Selective Laser Melting ou SLM). / Additive manufacturing processes allow to build finished industrial parts with very complex geometry, while reducing development time and costs compared to conventional manufacturing processes. The main principle of all these processes is to build components directly from a CAD file defining its geometry without requiring any mold nor specific tools.This study is part of the FALAFEL research project focused on additive manufacturing processes by laser and electron beams. It is composed of academic research laboratories and industrial partners from Aeronautics and Laser Processes industries. The main goal of this project is to implement, improve and validate additive manufacturing processes regarding the production of metallic components for Aeronautics. Studies are conducted under industrial conditions.The aim of our thesis is to provide a numerical model to obtain, within a reasonable time, information about the mechanical and metallurgical properties of industrial components made out of titanium Ti-6Al-4V. It is aimed at two additive manufacturing processes: the Direct Metal Deposition (DMD) and the Selective laser melting (SLM).

La thérapie cellulaire est une envisagée pour traiter des pathologies cardiaques ou squelettiques basée sur la médecine régénérative. Les progéniteurs cellulaires classiquement utilisés (myoblastes ou cellules mésenchymateuses) n'ont démontré qu'une efficacité limitée. Dans ce contexte, notre laboratoire a identifié une nouvelle catégorie de progéniteurs, sur la base de leur activité enzymatique aldéhyde déshydrogénase (ALDH) mise en évidence par un substrat fluorescent, l'Aldéfluor, et en association avec le marqueur CD34. Les ALDH sont impliquées dans le métabolisme et la détoxification des aldéhydes, et constituent un nouveau marqueur des cellules souches. Ce travail de thèse a permis de mieux caractériser les progéniteurs myogéniques (ALDH+/CD34-) et non myogéniques (ALDH+/CD34+), dans différents contextes physiopathologiques. Leur présence dans différents muscles de primates humains ou non humains, leur persistance au cours du vieillissement naturel ou lors d'atteinte par la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) chez l'Homme et dans des modèles animaux, suggèrent une utilisation possible des cellules ALDH+/CD34- pour des développements thérapeutiques ultérieurs. L'étude phénotypique révèle que des marqueurs transmembranaires sont associés à des sous-populations de cellules ALDH myogéniques ou non myogéniques dont la comparaison permettra de proposer de meilleurs candidats de thérapie cellulaire. En parallèle, les caractérisations histologiques et cytologiques ont identifié des sous-populations exprimant des isoenzymes et les analyses d'expressiongénique réalisées ex vivo et en culture suggèrent que certaines sont impliquées dans l'homéostasie musculaires. / Cell therapy is a regenerative medicine strategy considered for the treatment of cardiac or skeletal muscle diseases. The cellular progenitors used to date (myoblasts or mesenchymal stem cells) provided mitigated success, thus mandating the identification and characterization of new categories of progenitors. Our laboratory has identified new populations of progenitors, based on their Aldehyde Deshydrogenase activity (ALDH) detectable using the fluorescent substrate Aldefluor, associated with the expression of the CD34 marker. ALDH are involved in metabolism and detoxification of aldehydes, they play important roles in cell survival and differentiation and are considered a new marker of stem cells. The present project allowed characterizing extensively the myogenic (ALDH+/CD34-) and non myogenic (ALDH+/CD34+) progenitors, in several physiopathological contexts and animal models. The presence of ALDH+/CD34- cells in distinct muscle groups in Human and non-human Primates, their persistence through natural ageing and despite the ongoing degenerative process observed in Duchenne muscular dystrophy in Human patients and animal models suggest their future use for therapeutic applications. The phenotypic characterization indicated that membrane markers are associated to myogenic or non myogenic sub-populations of ALDH cells. The comparison on their efficacies in vito and in vivo will allow proposing new candidates for cell therapy. In parallele, histological and cytological analysis identified cell populations expressing isoenzymes The analysis of gene expressions suggested that, at least, some of them are involved in muscle homeostasis in situ or in vitro.

The Coherence Controlled Holographic Microscope (CCHM) was developed at BUT Brno for a quantitative phase imaging of living cells. Nowadays it ocurres that its imaging properties are enhanced by the use of additional modules. In the present the microscope is equipped with the epifluorescence module, which allows observation of fluorescently marked living cells. This thesis is going to follow up on the development of this module and is going to extend its options by confocal imaging. The disadvantage of current multi-channel confocal microscopes is a mechanical rotation of the Nipkow discs, which causes undesired mechanical vibrations. That is why in this thesis it is replaced by Digital Micromirror Device. With its use was developed optical system of the whole confocal model, whose correct funcion was simulated in optical CAD. The experimentally verified prototype serves to test the imaging properties. On this basis is designed an application idea of the fluorescence confocal module, which will be possible to connect to the CCHM microscope.

The regulation of muscle stem cell (MuSC) asymmetric division plays an essential role in controlling the growth and repair of skeletal muscle. Perturbations in MuSC function have been demonstrated in disease and aging contexts such as Duchenne’s Muscular Dystrophy (DMD) and sarcopenia. We developed and optimized a high content analysis platform combining lineage tracing, myofiber culture, imaging, and bioinformatic analysis to determine modulators of muscle stem cell division. We discover kinase domain receptor (KDR) as a positive modulator of MuSC asymmetric division and confirmed its expression in satellite cells by ddPCR and immunofluorescence. Knockdown of KDR significantly reduces the numbers of asymmetric divisions, whereas ligand stimulation of KDR increases the numbers of asymmetric divisions. KDR signaling is impaired in dystrophin- deficient satellite cells and requires a polarized cell environment established by the dystrophin glycoprotein complex (DGC) to direct asymmetric division. Mice lacking KDR in MuSCs exhibit reduced numbers of satellite cells due to precocious differentiation, and deficits in regeneration consistent with impaired asymmetric division and reduced generation of progenitors. Therefore, our experiments identify KDR signaling as playing an essential role in MuSC function in muscle regeneration. These findings further our understanding of muscle stem cell biology, and in particular, the role of asymmetric division under homeostatic and regenerative conditions.

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Depuis l'identification par Brown \& Roshko, en 1974, de structures jouant un rôle majeur dans le mélange d'un écoulement turbulent, la recherche de structures cohérentes a été un des principaux axes d'étude en mécanique des fluides.Les travaux présentés dans ce manuscrit s'inscrivent dans cette voie.La première partie du manuscrit traite ainsi de l'identification de structures cohérentes. Elle se compose de trois chapitres abordant deux techniques d’identification. La Décomposition en mode dynamique (DMD), ainsi que des variantes généralisant son champ applicatif est présenté dans le premier chapitre. Cette méthode propose une représentation par modes spatiaux et temporels d'un ensemble de données. Une méthode pour la sélection de composantes particulièrement représentatives de la dynamique, i.e. présentant de bonnes qualités d'observabilité, se basant sur cette décomposition est également décrite dans ce chapitre.Le deuxième chapitre traite de la détection de structures cohérentes lagrangienne, par suivi de particules. Ces structures permettent d'identifier les frontières matérielles et apportent des éclaircissements sur les mécanismes du mélange au sein de l'écoulement considéré.Ces méthodes sont appliquées, dans le chapitre trois, au cas d’un écoulement incompressible affleurant une cavité ouverte.La seconde partie du manuscrit traite des questions de représentation et discrimination de données scientifiques.Une réponse à la question de la représentation de structures cohérentes a été la mise en place d'outils permettant la visualisation interactive de jeux de données scientifiques, qui dont la présentation fait l'objet du chapitre quatre. En particulier, l'utilisation d'objets tangibles, représentant les données dans le monde réel, permet une exploration plus efficace des ensembles de volumétriques de données scientifiques. La question d'une perception et discrimination efficace de données représentées, e.g. la différentiation entre deux valeurs proches, est abordée dans le cinquième chapitre. / Brown \& Roshko identify the key role, as soon as 1974, of coherent structures in the mixing of a turbulenet jet. Since, the seek for coherent structures has been a major field in fluid mechanics. This manuscript follows this path, and aims at describing algorithm to compute and explore coherent structures from fluid mechanics dataset.The first part of this manuscript is dedicated to present algorithms for the computations of coherent structures from dataset. The first chapter exposes the Dynamical Modes Decomposition, and presents improvements of the method. A criterion to estimate the observability properties of components of the state vector is also presented.The second chapter aims at describing an efficient algorithm to compute Lagrangian Coherent Structures, which are somewhat equivalent to material frontiers in fluid flows, and highlight mixing dynamics.This methods are applied, in a third chapter, to caracterize the dynamics of an open cavity flow.The second parti of this manuscript is dedicated to the representation and discrimination of scientific dataset.The fourth chapter presents metaphors for the interactive exploration of scientific and volumetric dataset. The use of tangible interfaces is investigated. The last chapter deals with the differenciation between represented data, by proposing an algorithm for the differenciation between close but different signals.

Hintergrund und Zielsetzung: DMD ist die häufigste Form der Muskeldystrophie im Kindesalter und bis heute unheilbar. Sie wird durch das Fehlen des Proteins Dystrophin verursacht, welches verschiedene Signaltransduktionswege beeinflusst. Das Anliegen der Arbeit ist die Untersuchung und Modulation von Signaltransduktionswegen, die als alternative Therapiestrategie den Verlust von Dystrophin kompensieren könnten. Experimentelle Strategie: Für die Charakterisierung von Dystrophin nachgeschalteten Prozessen wurden mRNA-Expressionsanalysen in Muskelgeweben von DMD-Patienten und einem DMD-Brüderpaar mit einem infrafamiliär unterschiedlichen Verlauf der DMD durchgeführt. Aus diesen Expressionsdaten wurde erstmalig ein Petri-Netz entwickelt, welches Dystrophin mit in diesem Zusammenhang bisher unbekannten Signaltransduktionswegen verknüpft. Das Petri-Netz wurde auf Netzwerkintegrität und –verhalten mittels Invarianten- (INA) und theoretischen Knockout- (Mauritius Maps) Analysen untersucht. Durch beide Methoden läßt sich der maßgebliche Teilsignalweg bestimmen. In diesem Signalweg wurden die Proteinaktivität und die Genexpression durch siRNA, Vektor-DNA und chemische Substanzen in humanen SkMCs moduliert. Anschließend wurden die Proliferation und die Vitalität der Zellen sowie auch die Expression auf mRNA- und Protein-Niveau untersucht. Ergebnisse: RAP2B und CSNK1A1 waren in dem DMD-Brüderpaar differentiell exprimiert und konnten erstmalig in einem neuen, komplexen Signalweg in Zusammenhang mit Dystrophin nachgeschalteten Prozessen dargestellt werden. Mittelpunkt dieses Signalweges ist die De- und Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFATc. Seine Zielgene umfassen neben anderen den negativen Proliferationsfaktor p21, das Dystrophin homologe UTRN und den Differenzierungsfaktor MYF5. Folglich würde ein Anstieg von UTRN eine unerwünschte Reduktion der Proliferationsrate von Myoblasten implizieren. Letzteres konnte bereits nachgewiesen werden und stellte das Motiv für weitere Studien dar. Jedoch zeigten siRNA- und Vektor-DNA-Experimente, daß NFATc nicht der ausschlaggebende Faktor für diese Zielgene ist. Die Substanzen Deflazacort (DFZ) und Cyclosporin A (CsA) wurden dagegen beschrieben, die Aktivierung von NFATc zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, daß beide Substanzen die Proliferation von Myoblasten erhöhen können. Die gleichzeitige Applikation von DFZ und CsA führte zu einem Anstieg der UTRN-Expression. Schlußfolgerung: Die Modulation der Proliferation und UTRN-Expression ist unabhängig von einander möglich. Entsprechend der Grundidee der Arbeit zeichnet sich eine neue Therapiestrategie ab, welche Dystrophin nachgeschaltete Prozesse einbezieht. / Background and aim: DMD is the most common muscular dystrophy in childhood and incurable to date. It is caused by the absence of dystrophin, what influences several signal transduction pathways. The thesis is interested in the investigation and modulation of signal transduction pathways that may compensate the lack of dystrophin as an alternative therapy strategy. Experimental strategy: To study Dystrophin downstream pathways the mRNA expression of DMD patients and two DMD siblings with an intra-familially different course of DMD were analysed in muscle tissue. On the basis of these expression data a Petri net was first developed implicating signal transduction pathways and Dystrophin downstream cascades. Invariant (INA) and theoretical knockout (Mauritius Maps) analyses were applied for studying network integrity and behaviour. Both methods provide information about the most relevant part of the network. In this part modulation of protein activity and of gene expression using siRNA, vector-DNA, and chemical substances were performed on human SkMCs. Subsequently, the cells were studied by proliferation and vitality tests as well as expression analyses at mRNA and protein level. Results: RAP2B and CSNK1A1 were differently expressed in two DMD siblings, and first are part of a signal transduction pathway implicating Dystrophin downstream processes. The central point of this pathway is the de- and activation of the transcription factor NFATc. Its target genes are, among others, the negative proliferation factor p21, the Dystrophin homologue UTRN, and the differentiation factor MYF5. Consequently, an increase in UTRN implicates an undesirably reduced myoblast proliferation rate. Latter was found in DMD patients and was target for further studies. But, siRNA and vector DNA experiments showed that NFATc is not the decisive factor for the target genes. Deflazacort and cyclosporin A are known to influence the activation of NFATc. The results first showed that both substances do induce myoblast proliferation. The use of deflazacort in combination with cyclosporin A resulted in an increase of UTRN expression. Conclusion: The modulation of proliferation and UTRN-expression independently of each other is possible. According to the basic idea of this study, a new therapeutic strategy becomes apparent, which considers Dystrophin downstream processes.