Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Contexte : L’anémie falciforme ou drépanocytose est un problème de santé important, particulièrement pour les patients d’origine africaine. La variation phénotypique de l’anémie falciforme est problématique pour le suivi et le traitement des patients. L’architecture génomique responsable de cette variabilité est peu connue. Principe : Mieux saisir la contribution génétique de la variation clinique de cette maladie facilitera l’identification des patients à risque de développer des phénotypes sévères, ainsi que l’adaptation des soins. Objectifs : L’objectif général de cette thèse est de combler les lacunes relatives aux connaissances sur l’épidémiologie génomique de l’anémie falciforme à l’aide d’une cohorte issue au Bénin. Les objectifs spécifiques sont les suivants : 1) caractériser les profils d’expressions génomiques associés à la sévérité de l’anémie falciforme ; 2) identifier des biomarqueurs de la sévérité de l’anémie falciforme ; 3) identifier la régulation génétique des variations transcriptionelles ; 4) identifier des interactions statistiques entre le génotype et le niveau de sévérité associé à l’expression ; 5) identifier des cibles de médicaments pour améliorer l’état des patients atteints d’anémie falciforme. Méthode : Une étude cas-témoins de 250 patients et 61 frères et soeurs non-atteints a été menée au Centre de Prise en charge Médical Intégré du Nourrisson et de la Femme Enceinte atteints de Drépanocytose, au Bénin entre février et décembre 2010. Résultats : Notre analyse a montré que des profils d’expressions sont associés avec la sévérité de l’anémie falciforme. Ces profils sont enrichis de génes des voies biologiques qui contribuent à la progression de la maladie : l’activation plaquettaire, les lymphocytes B, le stress, l’inflammation et la prolifération cellulaire. Des biomarqueurs transcriptionnels ont permis de distinguer les patients ayant des niveaux de sévérité clinique différents. La régulation génétique de la variation de l’expression des gènes a été démontrée et des interactions ont été identifiées. Sur la base de ces résultats génétiques, des cibles de médicaments sont proposées. Conclusion: Ce travail de thèse permet de mieux comprendre l’impact de la génomique sur la sévérité de l’anémie falciforme et ouvre des perspectives de développement de traitements ciblés pour améliorer les soins offerts aux patients. / Background: Sickle Cell Disease (SCD) is an important public health issue, particularly in Africa. Phenotypic heterogeneity of SCD is problematic for follow-up and treatment of patients. Little is known about the underlying genomic architecture responsible for this variation. Rationale: Understanding the genetic contribution to the inter-patient variability will help in identifying patients at risk of developing more severe clinical outcomes, as well as help guide future developments for treatment options. Objectives: To characterize genome-wide gene expression patterns associated with SCD clinical severities and to identify genetic regulators of this variation. More specifically, our objectives were to associate gene expression profiles with SCD severity, identify transciptional biomarkers, characterise the genetic control of gene expression variation, and propose drug targets. Methods: A case-control population of 250 SCD patients and 61 unaffected siblings from the National SCD Center in Benin were recruited. Genome-wide gene expression profiles and genotypic data were generated. Results: Genome-wide gene expression patterns associated with SCD clinical variation were enriched in B-lymphocyte development, platelet activation, stress, inflammation and cell proliferation pathways. Transcriptional biomarkers that can discriminate SCD patients with respect to clinical severities were identified. Hundreds of genetic regulators were significantly associated with gene expression variation and potential drug targets are suggested. Conclusion: This work improves our understanding of the biological basis of SCD clinical variation and has the potential to guide development of targeted treatments for SCD patients.

La drépanocytose, ou anémie falciforme, présente une variabilité interindividuelle considérable, conditionnée par de multiples facteurs, dynamiques et interactifs, depuis le niveau moléculaire jusqu’au niveau du patient. L’hémoglobine drépanocytaire, ou hémoglobine S (HbS, tétramère a2bS 2), est un mutant de l’hémoglobine A (a2b2) : elle possède à sa surface une valine (hydrophobe) substituant un acide glutamique natif (négativement chargé). Cette mutation entraîne l’agrégation de l’HbS désoxygénée en polymères, ainsi que l’altération des propriétés de l’érythrocyte -dont sa rhéologie et ses interactions avec les différentes cellules vasculaires. C’est pourquoi la polymérisation de l’HbS constitue un facteur étiologique clef, sinon le primum movens, de la drépanocytose, et une hypothèse thérapeutique (étayée par l’observation) postule que la réduction des fibres intra-érythrocytaires de HbS pourrait améliorer le statut clinique des patients en abaissant la fréquence et la sévérité des crises vasoocclusives. Dans l’optique de mieux comprendre et de mieux gérer la variabilité individuelle drépanocytaire, il apparaît donc indispensable de disposer, en premier lieu, d’une description réaliste de la polymérisation de l’HbS. L’objectif de ce travail de thèse est la mise en place et la validation d’un modèle mathématique de la polymérisation de l’HbS désoxygénée, en tant que processus cinétiquethermodynamique, sous l’influence de la concentration et de la température –les deux facteurs modulateurs les plus importants. A partir d’un modèle existant, mais linéaire et incomplet (Ferrone et al., 1985), nous avons procédé à son implémentation, à sa correction et à sa mise à jour, ainsi qu’à l’évaluation quantitative de ses performances dynamiques, par intégration complète et simulation numérique (Simulink©). Ceci nous a permis de réaliser un diagnostic et d’effectuer un certain nombre de raffinements, concernant en particulier (i) la voie de nucléation hétérogène (formation de néo-fibres sur les fibres préexistantes), (ii) la non-idéalité de la solution protéique de HbS, induite par le volume exclus des fibres polymères (coefficients d’activité calculé à partir de la « théorie des particules convexes »), ainsi que (iii) la structuration spatiale des polymères en domaines. Le modèle développé dans ce travail servira de base pour une description (i) de l’influence dynamique de l’oxygénation et des hémoglobines non-polymérisantes sur la polymérisation de HbS, puis (ii) des polymères de HbS sur les propriétés membranaires et rhéologiques de l’érythrocyte drépanocytaire. / Sickle cell disease pathology exhibits a strong interindividual variability, which depends upon multiple, dynamic and interacting factors, from the molecular to the patient level. Sickle hemoglobin, hemoglobin S (HbS, a2bS 2 tetramer), is a mutant of HbA (a2b2), with a surface valine (hydrophobic) substituting a native glutamic acid (negatively charged). Such a mutation endows deoxygenated HbS with the propensity to agregate into polymers, altering erythrocyte properties –including its rheology and its interactions with vascular and circulatory cells. Thus HbS polymerization is a key etiological factor of sickle cell disease, if not the primum movens. Indeed, one therapeutical hypothesis (supported by observation) postulates that the reduction of intra-erythrocytic HbS fibers could improve patients clinical status by lowering the frequency and the severity of vasooclusive crisis. In order to better understand and manage sickle cell disease variability, it is essential to have a realistic description of HbS polymerization. This work aims at developing and validating a mathematical model of deoxygenated HbS polymerization, as a kinetic and thermodynamic process under the influence of concentration and temperature –the two most important modulators. Building on an existing, but linearized and uncomplete (Ferrone et al., 1985) model, we have implemented, corrected and updated, and quantitatively evaluated its dynamical performances: this was done by full numerical integration using Simulink©. This allowed us to make several improvements, related in particular to : (i) the heterogeneous nucleation pathway (seeding and formation of new fibers from pre-existing ones), (ii) the non-ideality of the HbS protein solution, caused by polymer fibers excluded volume (activity coefficients were calculated with the CPT, Convex Particle Theory), and (iii) the spatial organization of polymers into domains. The model developped in this work will ground the description of the dynamic influence (i) oxygenation and non-polymerizing hemoglobins, (ii) HbS polymers interactions with membrane and consequences upon rheological properties of sickle cell erythrocyte.

La drépanocytose est une hémoglobinopathie génétique ayant pour conséquences une anémie hémolytique chronique et sévère et des crises vaso-occlusives itératives. Cette pathologie s’accompagne également d’une intolérance à l’effort et d’altérations de la fonction et du tissu musculaire. Récemment, nous avons pu montrer, par une étude contrôlée et randomisée, l’innocuité et les bénéfices fonctionnels d’un programme d’entrainement en endurance, d’intensité modérée, chez des patients drépanocytaires. L’objectif de ce travail doctoral a été d’évaluer les effets de ce programme d’entrainement sur les caractéristiques musculaires de quarante patients drépanocytaires homozygotes. L’analyse des biopsies musculaires rapporte des adaptations tissulaires chez les patients entrainés, illustrées par une augmentation de la surface des myocytes, une amélioration de leur capacité oxydative, une augmentation du nombre de microvaisseaux sans modification de leur tortuosité, laissant supposer une meilleure oxygénation musculaire. L’excellente tolérance de ce mode d’entrainement semble reposer sur une plus faible mobilisation des voies anaérobies comme en témoigne la stabilité des activités enzymatiques associées à la glycolyse lactique et l’absence de modification du contenu musculaire des protéines impliquées dans la régulation du pH. Par ailleurs, cet entrainement n’a pas engendré de dégradation tissulaire notable. Ainsi, cet entrainement a non seulement apporté des bénéfices fonctionnels, mais également réduit les dysfonctionnements tissulaires musculaires. Cette thérapie par l’exercice peut donc être considéré comme une stratégie adjuvante prometteuse pour les patients drépanocytaires. / Sickle cell disease is a genetic hemoglobinopathy resulting in chronic and severe hemolytic anemia and iterative vaso-occlusive crisis. This pathology is also accompanied by exercise intolerance and alterations in muscle function and tissue. Recently, we demonstrated, through a randomized controlled study, the safety and functional benefits of a moderate-intensity endurance exercise training program in sickle cell disease patients. The objective of this doctoral work was to evaluate the effects of this training program on the muscle characteristics of forty homozygous sickle cell disease patients. The analysis of muscle biopsies reported tissue adaptations in trained patients, illustrated by an increase in the surface area of myocytes, an improvement in their oxidative capacity, an increase in the number of microvessels without modification of their tortuosity, suggesting a better muscle oxygenation. The excellent tolerance of this training mode seems to be based on a lower mobilization of the anaerobic pathways, as shown by the stability of the enzymatic activities associated with lactic glycolysis and the lack of any modification of the muscle protein content involved in pH regulation. Moreover, this training did not result in any significant tissue degradation. Thus, this training provided functional benefits, but also reduced muscle tissue dysfunctions. This exercise therapy can therefore be considered a promising adjuvant strategy for sickle cell disease patients.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

A partir du défaut premier de la drépanocytose, la polymérisation de l’hémoglobine S (HbS), se développe toute une série de processus anormaux qui contribuent au développement d’une réponse inflammatoire et d’un stress oxydant dus à une hypoxie-reperfusion traumatisante et à l’auto-oxydation de l’HbS. L’exacerbation du stress oxydatif semble participer de manière active aux mécanismes physiopathologiques de la maladie et jouer un rôle dans la survenue des crises vaso-occlusives (CVO). Les travaux menés dans le cadre de cette thèse avaient pour objectif de mieux documenter les effets délétères du stress oxydant sur le globule rouge et son impact dans le développement des CVO. Nous avons, en premier lieu, évalué in vitro l’impact du stress oxydant sur la rhéologie sanguine des patients drépanocytaires SS et SC à l’aide d’un agent à fort potentiel oxydant, le t-butyl hydroperoxide (TBHP). Nous avons montré que les globules rouges des patients drépanocytaires (GR SS) produisent en présence du TBHP davantage de radicaux libres que les GR provenant de sujets contrôles (GR AA) et que ces GR SS présentent un système de défense anti-oxydant diminué. L’induction d’un stress oxydant accentue les altérations rhéologiques déjà présentes chez les patients drépanocytaires (i.e, déformabilité diminuée, diminution de l’indice d’agrégation, augmentation du seuil de désagrégation) tandis qu’il induit chez les sujets contrôles un profil hémorhéologique altéré proche de celui déjà préexistant chez les patients drépanocytaires. Ces résultats suggèrent que le stress oxydant, en participant aux anomalies hémorhéologiques associées à la drépanocytose, pourrait être l’un des facteurs favorisant la survenue des complications drépanocytaires. Nous nous sommes de plus attachés à documenter directement l’impact du stress oxydant dans le développement des CVO en analysant des prélèvements sanguins provenant de patients drépanocytaires SS en crise et à l’état de base. Il s’agissait : 1) de tester l’hypothèse selon laquelle la protéine bande 3, protéine de la membrane du GR, est une cible majeure des espèces réactives de l’oxygène qui provoquent au niveau de cette protéine l’apparition d’épitopes de senescence reconnus par des auto anticorps anti-bande 3 ; 2) d’évaluer l’évolution de marqueurs moléculaires et cellulaires pro- et anti-oxydants ; 3) d’étudier l’évolution des paramètres hémorhéologiques ; 4) d’explorer l’activité du système nerveux autonome, considéré comme un marqueur potentiel de sévérité. Nous avons mis en évidence au cours des CVO : 1) une exacerbation du stress oxydant ; 2) une diminution du taux d’anticorps anti-bande 3 et une augmentation de la concentration plasmatique de microparticules érythrocytaires, suggérant que ces deux processus sont liés au phénomène de clusterisation de la protéine bande 3 déclenché par le stress oxydant ; 3) une exacerbation des anomalies hémorhéologiques se traduisant par une réduction de la déformabilité érythrocytaire, une augmentation de l’agrégation érythrocytaire et du seuil de désagrégation ; 4) une altération du système nerveux autonome marqué par un retrait de l’activité parasympathique, ce déséquilibre étant accentué au cours des CVO. Les travaux de cette thèse se traduisent par à une meilleure compréhension de la physiopathologie extrêmement complexe de la drépanocytose en précisant l’impact du stress oxydant dans le déclenchement des CVO, première cause d’hospitalisation des sujets drépanocytaires. Les données obtenues, qui mettent en évidence des marqueurs pertinents de ce stress oxydant au cours de la CVO du sujet drépanocytaire, pourront favoriser la mise en œuvre de nouvelles pistes thérapeutiques anti-oxydantes et une amélioration in fine de la prise en charge des patients. / Besides the primary defect of sickle cell disease, hemoglobin S (HbS) polymerization, other abnormal processes may contribute to the development of an inflammatory response and to an oxidative stress caused by traumatic hypoxia-reperfusion and autoxidation of HbS. The exacerbation of oxidative stress seems to participate actively in the pathophysiology of the disease and play a role in vaso-occlusive crisis (VOC). The aim of this thesis was to document the deleterious effects of oxidative stress on the red blood cell and its impact in the development of VOC. First, we have evaluated the impact of tert-butyl hydroperoxide-induced oxidative stress on blood rheology of SS and SC sickle cell patients. We have shown that sickle red blood cells (SS RBC) produce more free radicals in the presence of tert-butyl hydroperoxide (TBHP) than control subject red blood cells (AA RBC). Furthermore, SS RBC have a decreased anti-oxidant defense system. Induction of oxidative stress increases the rheological alterations already present in sickle cell patients (ie, decreased deformability, reduced aggregation, increased disaggregation threshold). In control subjects, oxidative stress induces an altered hemorheological profile close to that already present in sickle cell patients. These results suggest that oxidative stress by modulating the hemorheological abnormalities associated with sickle cell disease, could be one of the factors promoting the occurrence of sickle cell complications. Then, we have studied the impact of oxidative stress in the development of VOC, analyzing blood samples from SS patients in crisis and at steady state. 1) We have tested the hypothesis that the protein band 3 of RBC, is a major target of reactive oxygen species, which cause the appearance of senescence epitopes of this protein recognized by auto anti-band 3 antibodies; 2) We have evaluated pro- and anti-oxidants molecular and cellular markers; 3) We have studied the evolution of hemorheological parameters; 4) We have explored the activity of the autonomic nervous system, seen as a potential marker of severity. Our results show during VOC: 1) an exacerbation of the oxidative stress; 2) a decrease in anti-band 3 antibodies levels and an increase in the plasma concentration of erythrocyte microparticles, suggesting that these two processes are linked to the clustering phenomenon of band 3 protein triggered by oxidative stress; 3) an exacerbation of hemorheological abnormalities resulting in a reduction of SS RBC deformability, increased aggregation and disaggregation threshold; 4) an impairment of the autonomic nervous system marked by a withdrawal of parasympathetic activity and this imbalance is accentuated during VOC. This work allows a better understanding of the complex pathophysiology of sickle cell disease, highlighting the impact of oxidative stress in the development of VOC, the leading cause of hospitalization of sickle cell subjects. The data obtained, which reveal relevant markers of oxidative stress during VOC, could promote the implementation of new antioxidant therapeutic approaches and help improving sickle cell patients care.

La drépanocytose est la maladie moléculaire et héréditaire (transmission mendélienne récessive et autosomique) la plus répandue au monde. Elle est un problème de santé publique par sa gravité et ses implications socio-économiques dans de nombreux pays. Seuls les sujets homozygotes (SS) ou hétérozygotes composites (SC) sont malades, les hétérozygotes (AS) ne sont que des transmetteurs du gène S. Elle est la première cause d’OstéoNécrose de la Tête Fémorale (ONTF), douloureuse évoluant vers l’arthrose, en l’absence de traitement chez un patient jeune.<p>La Guadeloupe compte 450.000 habitants, dont 12% sont porteurs de l’hémoglobine S. Le nombre des drépanocytaires est estimé à 1.200 dont les 3/4 sont suivis au Centre Caribéen de la Drépanocytose (CCD), créé en 1990. Le centre assure la prise en charge médicale des enfants dès leur naissance et des adultes malades. Nos activités au CHU de Pointe-à-Pitre, au CCD et à l’Unité INSERM-UMR S458 depuis juillet 1992 nous ont permis d’étudier:<p>- le diagnostic de l’ONTF;<p>- l’évaluation de l’hyperpression osseuse dans l’ONTF et l’évaluation du traitement par forage simple;<p>- l’étude de l’impact de la prise en charge orthopédique précoce sur la survenue et l’évolution de l’ONTF.<p>Notre étude concerne les patients drépanocytaires adultes homozygotes (SS) et double hétérozygotes (SC):<p>- une série rétrospective de 1993-1994 [E-1994] portant sur 115 patients (58 SS, 57 SC) identifiés en 1984,<p>sans suivi médical ni orthopédique;<p>- une série prospective de 1995 à 2008 [E-2008] portant sur 215 patients (94 SS, 121 SC) avec prise en<p>charge médicale et orthopédique.<p>L’IRM est l’examen de référence pour le diagnostic de l’ONTF comme dans la nécrose idiopathique. En absence d’imagerie moderne, la radiographie traditionnelle réalisée de façon complète (profil et, surtout, faux profil), permet le diagnostic avant toute déformation. Seules les lésions cliniquement symptomatiques et évolutives (examen clinique itératif, contrôle radiologique, tomographie, TDM ou IRM) ont une indication opératoire.<p>L’hyperpression intra osseuse, dans l’ONTF drépanocytaire, est significativement liée à la douleur (que les patients soient homozygotes ou hétérozygotes). Sa diminution a un effet antalgique objectif, observée après forage. Elle permet de confirmer le diagnostic d’ostéonécrose au stade précoce, dans les régions où l’IRM est inexistante.<p>Un forage réalisé aux stades précoces de l’ONTF permet un arrêt rapide de l’évolution des lésions vers une arthrose, avec une efficacité certaine pour les stades I et II. Il garde une efficacité limitée pour le stade III. En plus de l’indolence apportée par la décompression, le bénéfice du forage se manifeste par l’allongement du délai avant arthroplastie (de 7,4 ± 2,7 ans). La technique est réalisable dans les régions sous équipées, où la drépanocytose est fréquente.<p>La description histologique aux différents stades radiologiques de l’ONTF montre toujours des lésions de nécrose médullaire et osseuse. A l’inverse des lésions idiopathiques, les lésions drépanocytaires sont caractérisées par la présence d’une inflammation, en dehors de tout processus infectieux.<p>Dans la littérature, la fréquente de l’ONTF drépanocytaire chez l’adulte est voisine de 40%, proche de celle observée dans [E-1994], notre population non suivie (36,5%). En comparant les études [E-1994] et [E-2008], la fréquence de l’ONTF passe de 36,5% à 14,4%. L’officialisation en 1992 d’une prise en charge médicale et d’un suivi orthopédique régulier au CCD et au CHU de Pointe-à-Pitre, a permis la réduction de la fréquence de l’ONTF et d’autres morbidités.<p>Le rappel sur la drépanocytose révèle la complexité de la maladie, la variabilité de son expression clinique et de ses complications. L’amélioration de vie des patients nécessite une prévention primaire, secondaire et tertiaire, en l’absence d’un traitement spécifique de la maladie.<p>La prise en charge médicale, complétée par une prévention et un traitement précoce (orthopédique ou chirurgical) telle que réalisés au CCD en Guadeloupe, a permis une réduction significative de la survenue de la nécrose de hanche et de ses complications. Pour une prévention tertiaire des complications ostéo-articulaires, nous suggérons:<p>- une prise en charge médicale régulière des enfants et des adultes afin de réduire les crises vaso-occlusives;<p>- une éducation des patients à la recherche de signes d’appel de l'ONTF et, aussi, d’autres articulations;<p>- un examen clinique ostéo-articulaire lors des bilans annuels et après toute crise vaso-occlusive;<p>- une attention particulière à l’adolescence (passage enfant-adulte), après une grossesse;<p>- une prise en charge précoce, orthopédique ou chirurgicale conservatrice (forage ou ostéotomie) face à une<p>nécrose, afin de réduire les complications invalidantes de l’ONTF.<p><p>Sickle-cell anemia is the most widespread hereditary (autosomal recessive Mendelian transmission) molecular pathology in the world. It is a public health issue in many countries, due to its severity and socio-economic impact. Only homozygous (SS) and double heterozygous (SC) subjects are affected, heterozygous (AS) subjects merely transmitting the gene S. Sickle-cell anemia is the most frequent cause of osteonecrosis of the femoral head (ONFH), a painful condition which evolves towards osteoarthritis if not treated at an early age.<p>Guadeloupe has a population of 450,000, 12% of whom are carriers of hemoglobin S. There are estimated to be 1,200 sickle-cell anemia sufferers, three-quarters of whom are followed in the Caribbean Sickle-Cell Center (Centre Caribéen de la Drépanocytose: CCD), which was set up in 1990. The Center provides medical care for adult patients and for children as of birth. Work has been ongoing since July 1992, in the Pointe-à-Pitre University Hospital, the CCD and the INSERM-UMR S458 research unit, focusing on:<p>- diagnosis of ONFH;<p>- bone hyperpressure measurement in ONFH and assessment of simple drilling treatment;<p>- the impact of early orthopedic treatment on the onset and evolution of ONFH.<p>The present study involved homozygous (SS) and double heterozygous (SC) adult sickle-cell anemia patients:<p>- a retrospective series, from 1993 to 1994 [S-1994], including 115 patients (58 SS, 57 SC) identified in 1984,<p>who had no medical or orthopedic care;<p>- a prospective series, from 1995 to 2008 [S-2008], including 215 patients (94 SS, 121 SC), with medical and orthopedic care.<p>MRI is the diagnostic gold-standard in ONFH, as in idiopathic necrosis. Where such modern imaging is not available, complete standard X-ray (lateral and especially false lateral) enables diagnosis to be made before deformity sets in. Surgery is indicated only for clinically symptomatic evolutive lesions on iterative clinical check-up, X-ray control, tomography, CT or MRI.<p>Intraosseous hyperpressure in sickle-cell ONFH shows a significant correlation with pain, in both homozygous and heterozygous patients. Pressure reduction is objectively pain-relieving, as seen after drilling, and can confirm diagnosis of ONFH at an early stage, in places where MRI is not available.<p>Drilling performed in the early stages of ONFH quickly arrests evolution towards osteoarthritis, with proven efficacy in grades I and II, and a certain degree of effectiveness in grade III. Over and above the pain-relief provided by decompression, drilling also enables hip replacement to be postponed, by 7.4±2.7 years. Moreover, the technique is feasible in those under-equipped regions in which sickle-cell disease is widespread.<p>Histologic description of radiologic ONFH stages consistently finds medullary and bone necrosis. In contrast to idiopathic lesions, sickle-cell related lesions show inflammation without any associated infection.<p>In the literature, the frequency of adult sickle-cell ONFH is reported to be nearly 40%, close to the 36.5% found in the S-1994 study of a non-treated population. In the S-2008 study of a population with medical and orthopedic care, ONFH frequency fell to 14.4%. The official provision of medical care and regular orthopedic follow-up in the CCD and Pointe-à-Pitre Hospital has reduced the frequency of ONFH and other morbidities.<p>A review of sickle-cell disease reveals its complexity: the variability of its clinical expression and associated complications. Improving patients’ quality of life requires primary, secondary and tertiary prevention, in the absence of specific treatment.<p>Medical care, supplemented by early prevention and treatment (orthopedic or surgical), as practiced in the Guadeloupe CCD, has significantly reduced the rates of ONFH and associated complications. We recommend the following CCD protocol for tertiary prevention of osteoarticular complications:<p>- regular medical care for children and adults, to reduce the incidence of vaso-occlusive crises;<p>- patient education in alarm signs of osteonecrosis of the femoral head and of other joints;<p>- systematic osteoarticular assessment at yearly check-up and after all vaso-occlusive crises;<p>- special focus on adolescence (child-to-adult transition) and following pregnancy;<p>- early care, both orthopedic and by conservative surgery (drilling or osteotomy), in case of necrosis, to reduce the rate of disabling complications of ONFH / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'atteinte vasculaire cérébrale est une complication grave et fréquente chez les enfants drépanocytaires, car elle impacte leur pronostic, en termes de morbidité (handicap) et de mortalité. L’accélération des vitesses mesurées par le doppler transcrânien (DTC) est prédictive du risque d'infarctus cérébral et implique une modification de la prise en charge thérapeutique. Chez l’enfant drépanocytaire, l'infarctus cérébral est d'origine multifactorielle, lié à la vasculopathie cérébrale sténotique ainsi qu'à une hypercoagulabilité et une activation cellulaire. Nous avons étudié de manière prospective l'association de marqueurs biologiques au DTC chez 108 enfants porteurs de syndrome drépanocytaire majeur et recherché des éléments prédictifs d'événement vasculaire périphérique ou cérébral. Nous avons ainsi réalisé une analyse approfondie de la fonction endothéliale, de l’activation de l’hémostase primaire et de la coagulation, de l'activation cellulaire et de la mécanique artérielle. L’atteinte vasculaire cérébrale a été estimée en considérant les données du DTC comme une variable continue plutôt que catégorielle. Le principal résultat est le rôle prédictif du nombre des cellules souches hématopoïétiques CD34+ pour la survenue d'événements cliniques vasculaires. Nous avons également mis en évidence un profil particulier de coagulation chez les enfants drépanocytaires présentant des céphalées récurrentes ou des accès migraineux. Ceci supporte l'hypothèse que les céphalées chez l'enfant drépanocytaire, et notamment celles répondant aux critères de la migraine, peuvent être le reflet d'événements ischémiques cérébraux ultra-transitoires. Elles représentent donc peut-être un indicateur indirect de risque ischémique cérébral. Nous avons par ailleurs montré que le risque hémorragique cérébral chez les enfants drépanocytaires restait proportionnellement stable par rapport au risque ischémique, malgré l'utilisation en routine de stratégies de prévention du risque ischémique. L'observation de lésions sténotiques et d'anévrismes permet de supposer que ces atteintes vasculaires cérébrales procèdent de mécanismes physiopathologiques communs. L'amélioration de la compréhension des mécanismes physiopathologiques des complications neurovasculaires et la mise en évidence de facteurs prédictifs d'événements cliniques est un pas supplémentaire vers l'amélioration de la sensibilité diagnostique de la vasculopathie cérébrale drépanocytaire, de la compréhension des mécanismes des accidents vasculaires cérébraux de ces enfants et probablement de leur pronostic neurologique en permettant une prise en charge thérapeutique adaptée plus précoce. / Cerbrovascular involvement is frequent in children with sickle-cell disease (SCD). It is severe in terms of morbidity (handicap) and mortality. Accelerated intracranial arterial blood flow velocity measured by transcranial doppler (TCD) is predictive for stroke occurrence and leads to therapeutic modifications. In SCD children, ischemic stroke results from stenotic cerebral vasculopathy associated with hypercoagulability, and cell activation. We prospectively addressed associations between biological markers and TCD velocity in 108 children with sickle-cell anemia (HbSS or HbSβ°) and looked for predictive factors for vascular peripheral or cerebral events. We performed extensive work-up of endothelial function, coagulation activation, cell activation, and arterial wall mechanics. Cerebral vasculopathy was defined using TCD velocity (continuous data) rather than the classical category classification. The main result is the demonstration of the role of hematopoietic stem cell CD34+ for the prediction of clinical vascular event occurrence. We also demonstrated an imbalanced coagulation profile in SCD children with recurrent cephalalgia or migraine. This finding supports the hypothesis that recurrent cephalalgia, especially migraine, could be a symptom of ultra-transient ischemic cerebrovascular events in SCD children. Therefore, this symptom may also indicate increased cerebrovascular ischemic risk. We demonstrated that the ratio cerebral hemorrhagic risk / cerebral ischemic risk in SCD children remains stable, despite the routine use of strategies aiming at reducing ischemic stroke risk. The concurrent observation of intracranial arterial stenotic lesions and aneurysm suggests common pathophyiological mechanisms. Improving pathophysiological understanding of cerebrovascular complications and demonstrating predictive risk factors for clinical events may help clinicians to improve early diagnosis of SCD-associated cerebral vasculopathy, to better understand stroke mechanism in this population, and probably to improve neurological outcome with earlier and more adapted management

La drépanocytose est une hémoglobinopathie grave caractérisée par des crises vaso-occlusives (CVOs) récurrentes et douloureuses ainsi que par une anémie hémolytique notamment dues à une inflammation vasculaire et un stress oxydant chroniques. Le caractère imprévisible des CVOs et les dommages tissulaires sévères et multifocaux subséquents rendent extrêmement difficile l'établissement d'un traitement efficace, expliquant pourquoi, à ce jour, il n'existe encore aucun traitement curatif applicable à l'ensemble de la population drépanocytaire. Sur la base de travaux réalisés précédemment dans d'autres maladies, l'objectif de ce projet était de tester l'hypothèse d'effets modulateurs favorables de l'activité physique régulière d'une part et de vérifier l'implication d'un modulateur du stress oxydant et de l'inflammation, le RAGE (Receptor of advanced glycation end products) d'autre part, dans la drépanocytose. La 1ère étude montre qu'un entrainement sur roue d'activité pouvait améliorer le métabolisme du NO pulmonaire et limiter le stress oxydant cardiaque ainsi que l'hémolyse chez un modèle murin modérément sévère de drépanocytose, la souris SAD. Par la suite nous avons réalisé une étude de caractérisation phénotypique du modèle Townes plus sévère, afin de cibler plus précisément les molécules et organes d'intérêt et d'optimiser les deux derniers protocoles portant sur ce modèle de souris. L'étude 3 complète alors la 1ère étude en mettant en évidence une amélioration de l'oxygénation veineuse et une baisse de l'inflammation systémique et rénale ainsi que de la congestion splénique par l'entrainement sportif chez les souris Townes, à l'état stable. Enfin la 4ème étude démontre une implication importante des RAGEs dans la physiopathologie drépanocytaire. En effet, l'inhibition spécifique de ces récepteurs semble limiter les processus hémolytiques, l'expression hépatique et rénale de marqueurs du stress oxydant et de l'inflammation et stimuler l'expression d'eNOS ainsi que la concentration plasmatique en métabolites du NO chez les souris Townes. Il ressort de ce travail de thèse, des éléments prometteurs quant à l'utilisation thérapeutique de l'entrainement sportif ou de l'inactivation des RAGEs dans la drépanocytose bien que des études complémentaires chez l'Homme et la souris soient respectivement nécessaires avant de confirmer ces conclusions / Sickle cell disease (SCD) is a severe hemoglobinopathy punctuated by recurrent painful vaso-occlusive crises (VOC) and by hemolytic anemia mainly due to chronic vascular inflammation and oxidative stress. VOCs are unpredictable and lead to serious multifocal organ damages making difficult the development of effective treatment and explaining why there is still no curative therapy applicable to the entire SCD population. Based on previous studies, the aim of this work was to characterize the effects of i) moderate exercise training ii) the contribution of RAGE (Receptor for advanced glycation end products) which is a modulator of oxidative stress and inflammation, to the vicious circle of SCD. The first study shows that voluntary wheel running improved NO metabolism in lungs and blunted cardiac oxidative stress and hemolysis in SAD mice presenting a mild phenotype of SCD. We then proceed to a phenotypic characterization of a severe SCD mouse model (Townes) to target more precisely molecules and organs of interest in order to optimize following protocols. The third study completes data from the first study in highlighting a better venous oxygenation, a decrease in systemic and renal inflammation and a limited splenic congestion after exercise training in sickle Townes mice. Ultimately, the fourth study highlights the involvement of RAGE in the SCD pathophysiology. Indeed, specific inhibition of RAGE may reduce hemolysis, blunt expression of oxidative stress and inflammation markers in the liver and kidney and stimulates endothelial NO synthase as well as plasma NO metabolites in sickle Townes mice. It has emerged from this work promising new data regarding the therapeutic use of exercise training or RAGE inhibition in SCD. Nonetheless, additional studies on humans are required before confirming our conclusions

L’hémolyse post transfusionnelle retardée (HPTR) est une complication potentiellement mortelle de la transfusion dans la drépanocytose. Sa fréquence est sous-estimée et aucun facteur prédictif de sa survenue n'a encore été identifié. Nous avons mené une étude observationnelle prospective monocentrique pendant 30 mois. Nous avons inclus 694 épisodes transfusionnels (ET) chez 311 patients adultes drépanocytaires, divisés en ET ponctuels (ETP = 360) et en ET chronique dans le cadre d’un programme (ETC = 334). Au cours de ce suivi, 15 HPTR ont été enregistrées, exclusivement après un ETP. L'incidence cumulative d’HPTR sur 30 mois était de 4,2 % par ETP (IC 95 % [2,6 ; 6,9]) ou 6,8 % par drépanocytaires transfusés (IC 95 % [4,2 ; 11,3]). Le taux d’incidence était de 16,4 HPTR pour 1000 ETP-Année (IC 95 % [10,1 ; 27,2]) ou 27,1 HPTR pour 1000 Personne-Année (IC 95% [16,7 ; 45,0]). Nous avons étudié 11 HPTR supplémentaires afin de construire un score prédictif. Les variables retenues étaient un antécédent d’HPTR, le nombre d’unités précédemment transfusées et l’état d’immunisation pré transfusionnelle. L’adéquation du score était excellente (Hosmer-Lemeshow = 1,40, p = 0,71), sa capacité discriminante très satisfaisante (aire sous la courbe ROC = 0,85 ; p < 0,0001), une valeur prédictive négative de 98,4 % et une valeur prédictive positive de 50,0 %. La validité interne du score, réalisée par Bootstrap, montre une très bonne performance. Nous rapportons, pour la première fois, l'incidence de l’HPTR et montrons qu’elle survient uniquement suite à un ETP. Nous décrivons également un score simple de prédiction d’une HPTR avant un ETP afin de mieux prendre en charge cette transfusion. / Delayed hemolytic transfusion reaction (DHTR) is a life-threatening complication of transfusion in sickle cell disease (SCD). The frequency of DHTR is underestimated and no predictive fac-tors for identifying patients likely to develop DHTR have yet been defined. We conducted a prospective single-center observational study over 30 months. We included 694 transfusion epi-sodes (TE) in 311 adult patients, divided into occasional TE (OTE: 360) and TE during a chronic program (CTE: 334). During follow-up, 15 cases of DHTR were recorded, exclusively after OTEs. DHTR cumulative incidence durin the 30 months was 4.2% per OTE (95% CI [2.6, 6.9]) or 66.8% per patient (95% CI [4.2, 11.3]). The incidence rate was 16.4 DHTR per 1000 OTE-Year (95% CI [10.1, 27.2]) or 27.1 DHTR per 1000 Person-Year (95% CI [16.7 ; 45.0]). We studied 11 additional DHTR cases to construct a score for predicting DHTR after OTE. Fifteen % of the 26 DHTR patients died. The variables retained in the multivariate model were history of DHTR, number of units previously transfused and immunization status before transfusion. The score adequacy was excellent (Hosmer-Lemeshow = 1.40, p = 0.71), very satisfactory dis-criminant capacity (area under ROC curve = 0.85, p <0.0001), negative-predictive value of 98.4% and a positive-predictive value of 50%. The internal validity of the score, realized by Bootstrap, shows a very good performance.We report, for the first time, the incidence of DHTR and we show that DHTR developed only in OTE. We also describe a simple score for predicting DHTR in patients undergoing occasional transfusion, to facilitate the management of blood transfusion in SCD patients.