L'endothélium constitue un véritable organe qui sécrète de nombreuses substances vasoactives régissant des fonctions cardiovasculaires vitales telles que le tonus et la croissance vasculaires. Ce tissu requiert la polyvalence de la signalisation calcique puisque plusieurs de ses fonctions dépendent de la modulation de la concentration intracellulaire de Ca[indice supérieur 2+].L'un des moyens utilisés par les cellules endothéliales pour assurer une réponse calcique efficace et spécifique est la propagation des signaux sous forme de vagues. Dans ce travail, nous avons décortiqué les mécanismes de mobilisation du Ca[indice supérieur 2+] intracellulaire menant à la propagation de vagues de Ca[indice supérieur 2+]. Nous avons recueilli des données qui aideront à mieux comprendre à la fois l'organisation et la propagation de vagues de Ca[indice supérieur 2+] dans les cellules endothéliales d'aorte de boeuf (BAEC). Nous montrons par vidéomicroscopie, que la stimulation des BAEC avec l'ATP ou avec la bradykinine (BIC) induit une réponse calcique oscillatoire finement régulée dans le temps et dans l'espace. En fait, le Ca[indice supérieur 2+] se propage d'une extrémité à l'autre de la cellule sous la forme d'une vague qui se produit en présence ou en absence de Ca[indice supérieur 2+] extracellulaire. Bien que les vagues de Ca[indice supérieur 2+] soient initiées à un endroit très précis près de la membrane plasmique, les cavéoles ne sont pas essentielles à leur propagation dans les BAEC, contrairement à ce qui a été observé dans certains autres types cellulaires. Toutefois, la dépolymérisation des microfilaments avec la latrunculine B et des microtubules avec la colchicine empêche la propagation de la vague de Ca[indice supérieur 2+]. Dans ces conditions, les BAEC présentent plutôt une augmentation calcique uniforme dans toute la cellule. Ces résultats suggèrent que, dans les BAEC, les cavéoles ne sont pas impliquées dans l'organisation de la réponse calcique sous forme de vague, mais que l'organisation du cytosquelette est essentielle. Nous montrons aussi que la vitesse de propagation de la vague de Ca[indice supérieur 2+] est constante d'un bout à l'autre d'une BAEC, ce qui est incompatible avec un mécanisme impliquant uniquement la diffusion de l'IP[indice inférieur 3] ou du Ca[indice supérieur 2+]. Nous montrons également que la vitesse de propagation de la vague de Ca[indice supérieur 2+] dépend de l'intensité de la stimulation et aussi de l'état fonctionnel de l'IP[indice inférieur 3]R qui peut être modulé par des kinases endogènes comme la PKA, la PKC et mTOR. Enfin, nous montrons que la vitesse de propagation de la vague de Ca[indice supérieur 2+] n'est pas directement reliée à l'amplitude de la relâche de Ca[indice supérieur 2+]. La vitesse de propagation des vagues de Ca[indice supérieur 2+] est un paramètre relativement nouveau dans le domaine de la signalisation calcique intracellulaire. Il reste à définir jusqu'à quel point ce paramètre peut être utile dans l'interprétation des différentes activités cellulaires.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les maladies cardio-vasculaires demeurent une cause majeure de mortalité et morbidité dans les sociétés développées. La recherche de déterminants prédictifs d’évènements vasculaires représente toujours un enjeu d’actualité face aux coûts croissants des dépenses reliées aux soins médicaux et à l’élargissement des populations concernées, notamment face à l’occidentalisation des pays émergeants comme l’Inde, le Brésil et la Chine. La cardiologie nucléaire occupe depuis trente ans, une place essentielle dans l’arsenal des méthodes diagnostiques et pronostiques des cardiopathies. De plus, de nouvelles percées permettront de dépister d’une façon plus précoce et précise, la maladie athérosclérotique cardiaque et périphérique chez les populations atteintes ainsi qu’en prévention primaire. Nous présenterons dans cette thèse, deux approches nouvelles de la cardiologie nucléaire. La dysfonction endothéliale est considérée comme le signal pathologique le plus précoce de l’athérosclérose. Les facteurs de risques cardiovasculaires traditionnels atteignent la fonction endothéliale et peuvent initier le processus d’athérosclérose même en l’absence de lésion endothéliale physique. La quantification de la fonction endothéliale coronarienne comporte donc un intérêt certain comme biomarqueur précoce de la maladie coronarienne. La pléthysmographie isotopique, méthodologie développée lors de ce cycle d’étude, permet de quantifier la fonction endothéliale périphérique, cette dernière étant corrélée à la fonction endothéliale coronarienne. Cette méthodologie est démontrée dans le premier manuscrit (Harel et. al., Physiol Meas., 2007). L’utilisation d’un radiomarquage des érythrocytes permet la mesure du flot artériel au niveau du membre supérieur pendant la réalisation d’une hyperémie réactive locale. Cette nouvelle procédure a été validée en comparaison à la pléthysmographie par jauge de contrainte sur une cohorte de 26 patients. Elle a démontré une excellente reproductibilité (coefficient de corrélation intra-classe = 0.89). De plus, la mesure du flot artérielle pendant la réaction hyperémique corrélait avec les mesure réalisées par la méthode de référence (r=0.87). Le deuxième manuscrit expose les bases de la spectroscopie infrarouge comme méthodologie de mesure du flot artériel et quantification de la réaction hyperémique (Harel et. al., Physiol Meas., 2008). Cette étude utilisa un protocole de triples mesures simultanées à l’aide de la pléthysmographie par jauge de contrainte, radio-isotopique et par spectroscopie infrarouge. La technique par spectroscopie fut démontrée précise et reproductible quant à la mesure des flots artériels au niveau de l’avant-bras. Cette nouvelle procédure a présenté des avantages indéniables quant à la diminution d’artéfact et à sa facilité d’utilisation. Le second volet de ma thèse porte sur l’analyse du synchronisme de contraction cardiaque. En effet, plus de 30% des patients recevant une thérapie de resynchronisation ne démontre pas d’amélioration clinique. De plus, ce taux de non-réponse est encore plus élevé lors de l’utilisation de critères morphologiques de réponse à la resynchronisation (réduction du volume télésystolique). Il existe donc un besoin urgent de développer une méthodologie de mesure fiable et précise de la dynamique cardiaque. Le troisième manuscrit expose les bases d’une nouvelle technique radio-isotopique permettant la quantification de la fraction d’éjection du ventricule gauche (Harel et. al. J Nucl Cardiol., 2007). L’étude portant sur 202 patients a démontré une excellente corrélation (r=0.84) avec la méthode de référence (ventriculographie planaire). La comparaison avec le logiciel QBS (Cedar-Sinai) démontrait un écart type du biais inférieur (7.44% vs 9.36%). De plus, le biais dans la mesure ne démontrait pas de corrélation avec la magnitude du paramètre pour notre méthodologie, contrairement au logiciel alterne. Le quatrième manuscrit portait sur la quantification de l’asynchronisme intra-ventriculaire gauche (Harel et. al. J Nucl Cardiol, 2008). Un nouveau paramètre tridimensionnel (CHI: contraction homogeneity index) (médiane 73.8% ; IQ 58.7% - 84.9%) permis d’intégrer les composantes d’amplitude et du synchronisme de la contraction ventriculaire. La validation de ce paramètre fut effectuée par comparaison avec la déviation standard de l’histogramme de phase (SDΦ) (médiane 28.2º ; IQ 17.5º - 46.8º) obtenu par la ventriculographie planaire lors d’une étude portant sur 235 patients. Ces quatre manuscrits, déjà publiés dans la littérature scientifique spécialisée, résument une fraction des travaux de recherche que nous avons effectués durant les trois dernières années. Ces travaux s’inscrivent dans deux axes majeurs de développement de la cardiologie du 21ième siècle. / Cardiovascular diseases remain a major cause of mortality and morbidity in developed countries. The search for predictive determinants of vascular events represents a relevant and timely goal, considering the increasing costs of medical care and the progress in developing countries such as India, Brazil and China. Nuclear cardiology has, for 30 years, played an essential role in the diagnosis and prognosis of various cardiac and vascular diseases. Moreover, new developments will allow earlier and more specific detection of cardiac and peripheral atherosclerosis disease in affected individuals and in primary prevention. In this thesis, we will focus on advances in two major themes of nuclear cardiology. Endothelial dysfunction is regarded as the earliest pathological markers of atherosclerosis. Traditional cardiovascular risks factors impair endothelial function and can initiate the atherosclerosis process, even in the absence of overt endothelial disruption. Quantification of coronary endothelial function is, therefore, of considerable interest as an early biomarker for coronary disease. The radionuclide plethysmography methodology developed during the course of my doctoral studies allows the quantification of peripheral endothelial function, which has been correlated with coronary endothelial function. This methodology is detailed in the first manuscript (Harel et. al., Physiol Meas., 2007). The use of red blood cell radio-labeling permits arterial flow to be measured in the upper limb during local reactive hyperemia. This new procedure was validated against strain gauge plethysmography in a cohort of 26 patients with excellent reproducibility (intraclass coefficient of correlation = 0.89). Moreover, the arterial measurements of flow during the hyperemic reaction correlated well with the reference method (r=0.87). The second manuscript exposes the basis of infrared spectroscopy as a method for measuring arterial flow and quantifying the hyperemic reaction (Harel et. al., Physiol Meas., 2008). The study protocol consisted of simultaneous measurements by strain gauge, radionuclide and infrared spectroscopy plethysmography. The spectroscopy technique was shown to be precise and reproducible for forearm measurement of arterial blood flow. This novel procedure came major advantages in reducing artifacts and in its ease of use. The second axis of my thesis relates to the analysis of cardiac contraction synchrony. Indeed, more than 30% of patients receiving resynchronization therapy do not show clinical improvement. Moreover, this non-response rate is even higher if we consider morphological criteria of resynchronization (end-systolic volume reduction). There is therefore, an urgent need to improve a methodology to reliably and precisely measure cardiac dynamics so as to identify and monitor potential responders. The third manuscript exposes the basis of a new radionuclide technique to quantify left ventricle ejection fraction (Harel et. al. J Nucl Cardiol., 2007). The study of 202 patients showed an excellent correlation (r=0.84) with the reference method (planar ventriculography). The comparison with QBS software (Cedar-Sinai), showed a lower standard deviation of bias (7.44% vs 9.36%). Moreover, unlike the alternative software, the bias did not correlate with the magnitude of the ejection fraction. The fourth manuscript relates to the quantification of the left intra-ventricular synchronism (Harel et. al. J Nucl Cardiol, 2008). A new three-dimensional parameter (CHI: contraction homogeneity index) (median 73.8%; IQ 58.7% - 84.9%) was defined to allow the integration of amplitude and synchrony components of ventricular contraction. Validation of this parameter was undertaken out by comparing the standard deviation of the histogram of phase (SDΦ) (median 28.2º; IQ 17.5º- 46.8º) obtained by planar ventriculography in a study of 235 patients. These four manuscripts, already published in the specialized scientific literature, summarize a fraction of the research tasks that we have carried out during the three last years, representing two major axes of nuclear cardiology advancement in the 21st century.

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La chirurgie cardiaque sous circulation extra-corporelle conduit à une altération de la perfusion de la microcirculation, qui peut contribuer de façon importante à la dysfonction d’organe postopératoire. Cette thèse rassemble des études cliniques et animales, dont le but était d’investiguer les mécanismes expliquant la dysfonction microcirculatoire en chirurgie cardiaque sous circulation extra-corporelle. En outre nous avons eu pour but d’évaluer deux stratégies thérapeutiques pour la préservation de la perfusion microcirculatoire au cours de la circulation extracorporelle : l’utilisation d’un flux pulsé comparativement à un flux non pulsé conventionnel durant la circulation extra-corporelle, et le traitement par imatinib dans le but de réduire la fuite vasculaire en inhibant la dysfonction de la barrière endothéliale. La thèse actuelle a démontré que la perfusion microcirculatoire est altérée durant et après la chirurgie cardiaque, et que ceci peut être attribué principalement à la dysfonction inflammatoire de la barrière endothéliale et à la fuite vasculaire conséquente. L’hémodilution concomitante en chirurgie cardiaque sous circulation extra-corporelle peut s’ajouter et contribuer également à la réduction de la perfusion microcirculatoire et de l’oxygénation. Nous avons montré que l’utilisation d’un flux pulsé durant la circulation extracorporelle améliore la perfusion microcirculatoire en postopératoire comparativement à un flux non-pulsé. Le traitement par imatinib a réduit la dysfonction de la barrière endothéliale et la fuite vasculaire dans notre modèle de circulation extracorporelle sur le rat et a permis de préserver la perfusion microcirculatoire et l’oxygénation durant et après la circulation extra-corporelle. En outre, le traitement par imatinib a permis de diminuer les marqueurs de souffrance rénale, pulmonaire et digestive après circulation extra-corporelle. A partir de nos résultats, la réduction de la fuite vasculaire et l’utilisation d’un flux pulsé durant la circulation extra-corporelle sont des interventions prometteuses pour la prévention des complications postopératoires chez les patients à risque de défaillance d’organe au décours de la chirurgie cardiaque sous circulation extra-corporelle. / Cardiac surgery with cardiopulmonary bypass leads to impaired perfusion of the microcirculation, which may be an important contributor to postoperative organ dysfunction. This thesis combines clinical and animal studies that aimed to investigate the mechanisms underlying microcirculatory dysfunction in cardiac surgery with cardiopulmonary bypass. Moreover, we aimed to evaluate two treatments strategies for preservation of microcirculatory perfusion during cardiopulmonary bypass : the use of pulsatile flow as compared to the conventional non pulsatile flow during cardiopulmonary bypass and treatment with imatinib in order to reduce vascular leakage by inhibiting endothelial barrier dysfunction.The current thesis has demonstrated that microcirculatory perfusion is impaired during and after cardiac surgery, and this can be attributed mainly to inflammatory endothelial barrier dysfunction and consequent vascular leakage. Concomitant hemodilution may additionally contribute to reduced microvascular perfusion and oxygenation in on-pumpcardiac surgery. We showed that the use of pulsatile flow during cardiopulmonary bypass improves postoperative microvascular perfusion as compared to non pulsatile flow. Imatinib treatment reduced endothelial barrier dysfunction and vascular leakage in our rat model for cardiopulmonary bypass and resulted in preservation of microcirculatory perfusion andoxygenation during and after extracorporeal circulation.Moreover, imatinib treatment resulted in reduced markers ofrenal, pulmonary and intestinal injury after cardiopulmonary bypass. Based on our findings, reduction of vascular leakage and use of pulsatile flow during cardiopulmonary bypass are promising interventions for the prevention of postoperative complications in patients at risk for organ failure following cardiac surgery with cardiopulmonary bypass.

L'endothelium vasculaire constitue la principale barrière entre le sang et les tissus régulant le passage de macromolécules et de cellules circulantes. Longtemps considéré comme une monocouche passive, l'endothélium joue d'importants rôles dans la régulation de la pression sanguine, de l'hémostase, des réponses immunitaires et inflammatoires. L'adhérence cellule/cellule est initiée dans l'endothélium vasculaire par des interactions homophiliques entre molécules de VE-cadhérine (= jonctions adhérentes). La dynamique de la jonction et du cytosquelette est importante pour le remodelage des jonctions intercellulaires qui a lieu au cours l'angiogenèse, de la vasculogenèse et lors de la réparation de l'endothélium. C'est pourquoi la détermination des mécanismes moléculaires sous-jacents est indispensable à la comprehension de phénomènes physiopathologiques (angiogenèse et progression tumorales, inflammation...). D'après la littérature, la protéine EPLIN intervient dans la formation du complexe E-cadhérine/alpha-caténine/EPLIN et stabilise l'actine corticale. Actuellement décrite comme spécifique des modèles épithéliaux, EPLIN peut-elle intervenir dans la liaison du complexe à base de VE-cadhérine au cytosquelette d'actine? De plus, il paraît essentiel de comprendre le rôle de cette protéine dans les cellules car son expression est fortement diminuée dans la plupart des cancers alors qu'à l'inverse sa surexpression bloque la prolifération cellulaire. / The endothelium forms the main barrier regulating the passage of macromolecules and circulating cells between the blood and tissue. Historically viewed as a passive vascular lining, vascular endothelium plays important roles in the regulation of vascular pressure, hemostasis, immune and inflammatory responses. In vascular endothelium, cell/cell adhesion is mediated by homophilic interactions of VE-cadherin molecules (= adherens junctions). Cytoskeleton and junction dynamics are important for intercellular junctions remodelling that occurs during angiogenesis, vasculogenesis and endothelium repair. So, determining the underlying molecular mechanisms is essential for the comprehension of pathologic phenomena such as angiogenesis, tumor progression or inflammation. We learn from the literature that EPLIN is involved in E-cadherin/α-catenin/EPLIN complex formation and cortical actin stabilization. Usually described as a protein specific of epithelial models, we wondered if EPLIN is able to link VE-cadherin complex to actin cytoskeleton. Furthermore, it seems essential to understand its cellular role since it is downregulated in many cancers while in contrast its overexpression blocks cell proliferation.