Statistical data suggests that increased use of evidence-based medical therapies has largely contributed to the decrease in American death rate caused by heart disease. And my studies are about two applications of magnetic resonance imaging (MRI) as a non-invasive approach in evidence-based health care research. In my first study, the achievement of a pulmonary valve replacement surgery was assessed on a patient with tetralogy of Fallot (TOF). In order to evaluate the remodeling of right ventricle, two biventricular finite element models were built up for pre-surgical images and post-surgical images. In my second study, 3D Lagrangian strains and torsion in the left ventricle of ten rats were investigated using Displacement ENcoding with Stimulated Echoes (DENSE) cardiac magnetic resonance (CMR) images. Tools written in MATLAB were developed for 2D contouring, 3D modeling, strain and torsion computations, and statistical comparison across subjects.

Korrektur der Fallotschen Tetralogie nach vorhergehender Palliativoperation - Langzeitergebnisse aus einem historischen Patientenkollektiv Hintergrund: Die Fallotschen Tetralogie ist ein komplexer zyanotischer Herzfehler, der erst mit dem Einsatz der Herz-Lungen-Maschine korrigiert werden kann. Zuvor erfolgte eine palliativ Operation. Seit 1960 werden Patienten mit Fallotscher Tetralogie in der Klinik für Thorax, -Herz- und Gefäßchirurgie der Universität Göttingen operiert. Ziel der Arbeit ist es, die Langzeitergebnisse eines historischen Patientenkollektivs, die zwischen 1960 und 1984 zuerst mit einer palliativen Operation behandelt und im Anschluss die Korrektur-Operation erhalten haben, zu analysieren. Methoden: Von 1960 bis 1984 erhielten 324 Patienten mit Fallotscher Tetralogie eine Korrektur-Operation nachdem zuvor eine Palliativ-Operation durchgeführt wurde. Die Datenanalyse erfolgte retrospektiv. Drei Gruppen wurden anhand der primären Palliativ-Operation gebildet: BTA-Gruppe (Blalock-Taussig-Anastomose, n=250), WCA-Gruppe (Waterstone-Cooley-Anastomose, n=57) und AD-Gruppe (verschiedene andere palliative Verfahren, n=17). Ergebnisse: Das mittlere Patientenalter war zur Korrektur-Operation in der BTA-Gruppe signifikant höher (8,45 ± 4,62 Jahre vs. 6,89 ± 2,96 Jahre in der WCA-Gruppe; p=0,0015). Die Operationsdauer war in der BTA-Gruppe mit 283 ± 105 Minuten kürzer im Vergleich zur WCA-Gruppe 314 ± 114 Minuten (p=0,32 ???). Intraoperativ wurde unter anderem eine Erweiterungsplastik mit Patch bei 64,5% durchgeführt (BTA: 63,2%, WCA: 70,2%), von diesen waren 48,8% transannulär (BTA: 44,3%, WCA: 75%). Postoperativ war eine Rethorakotomie nach der Korrektur-Operation in der WCA-Gruppe seltener (11% vs. 25% in der BTA-Gruppe; p=0,002). Die Korrektur-Operation führte in allen Gruppen zu einer effektiven, signifikanten Reduktion des rechtsventrikulären Druckes (BTA: von 96,01 ± 21,17 mmHg auf 52,75 ± 15,79 mmHg, WCA: von 97,78 ± 34,73 mmHg auf 59,05 ± 15,04 mmHg; p <0,001). Die Dauer der mechanischen Ventilation nach der Korrektur-Operation war in der BTA-Gruppe signifikant kürzer als in der WCA-Gruppe (46 ± 57 Stunden vs. 108 ± 207 Stunden; p=0,002), ebenso dauerte der Intensivaufenthalt in der BTA-Gruppe signifikant kürzer (117 ± 100 Stunden vs. 189 ± 205 Stunden in der WCA-Gruppe; p<0,001). Die Frühletalität betrug im Gesamtkollektiv 15,1%, Unterschiede zwischen den Gruppen???. Im weiteren Verlauf starben 12 weitere Patienten, so dass die Gesamtletalität 18,8% beträgt. Beim letzten Kontakt befanden sich die meisten Patienten im NYHA-Stadium II und III (NYHA-Stadium des Gesamtkollektivs: 2,3 ± 1,0; BTA-Gruppe: 2,2 ± 1,0; WCA-Gruppe: 2,7 ± 0,8). Schlussfolgerung: Die Datenanalyse zeigt, dass von den Palliativ-Operationen vor einer Korrektur-Operation bei Fallotscher Tetralogie, die BTA die vorteilhaftere Variante darstellt. Bei der Korrektur-Operation hatten die Patienten nach vorheriger BTA-Shunt-Operation eine kürzere OP-Dauer, weniger Blutungen postoperativ, sowie kürzere Beatmungs- und Intensivaufenthaltsdauer. Nach Korrektur der Fallotschen Tetralogie zeigen alle Patienten eine effiziente Verbesserung der hämodynamischen Parameter und ein gutes klinisches Langzeitergebnis. Da das optimale Operationsverfahren von mehreren Faktoren abhängt (u.a. Alter des Patienten, klinischen Zustand und anatomische Gegebenheiten), muss eine individuelle Entscheidung erfolgen und falls eine Palliativ-Operation notwendig ist, sollte die Anlage einer BTA bevorzugt werden.

Les travaux de cette thèse sont consacrés à la quantification de cardiopathies, la prédiction de leur évolution et la planification de thérapies, avec pour application principale la tétralogie de Fallot, une malformation congénitale grave du cœur. L'idée sous-jacente est d'utiliser des modèles informatiques sophistiqués combinant traitement d'images, statistique et physiologie, pour assister la gestion clinique de ces patients. Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle méthode de recalage d'images plus précise pour estimer la déformation cardiaque à partir d'images médi- cales anatomiques, où seulement le mouvement apparent du cœur est visible. L'algorithme proposé s'appuie sur la méthode dite des démons, que l'on contraint de manière rigoureuse à être élastique et incompressible grâce à une nouvelle justification de l'étape de régularisation de l'algorithme. Les expériences réalisées sur des images synthétiques et réelles ont démontré que l'ajout de ces contraintes améliore de manière significative la précision des déformations estimées. Nous étudions ensuite la croissance du cœur par une approche statistique basée sur les "courants". Une analyse en composantes principales permet d'identifier des altérations morphologiques dues à la pathologie. L'utilisation conjointe de la méthode PLS (moindres carrés partiels) et de l'analyse des corrélations canoniques permet de créer un modèle statistique moyen de croissance du cœur. L'analyse du ventricule droit de 32 patients avec tétralogie de Fallot a révélé une dilatation du ventricule, une déformation de sa base et un élargissement de son apex, caractéristiques que l'on retrouve dans la littérature clinique. Le modèle de croissance montre qu'elles apparaissent progressivement au fil du temps. Enfin, nous adaptons un modèle électromécanique du cœur pour simuler la fonction cardiaque chez des patients et tester diverses stratégies de pose de valves pulmonaires. Le modèle électromécanique simule les caractéristiques principales de la fonction cardiaque. Une fois personnalisé, le modèle est utilisé pour prédire les effets postopératoires de la pose de valves chez le patient. Le modèle a été ainsi capable de reproduire, de manière qualitative, la fonction cardiaque de deux patients. Comme attendu, la fonction simulée du ventricule droit est améliorée après pose de valves, ainsi que celle du ventricule gauche, suggérant une relation étroite entre les deux ventricules du cœur. Les méthodes de traitement d'images médicales, d'analyses statistiques et de modèles de la physiologie du cœur forment un cadre puissant pour le développe- ment d'une médecine plus personnalisée et assistée par ordinateur.

A partir de données en population, nous avons: 1) évalué le risque de cardiopathies congénitales (CC) chez les fœtus conçus par assistance médicale à la procréation (AMP); et 2) déterminé les effets de l’AMP sur la prise en charge prénatale et le devenir périnatal des fœtus porteurs de CC. Nous avons observé que l'AMP était associée à une augmentation de 40% du risque de CC sans anomalies chromosomiques associées (OR ajusté = 1,4 IC95% 1,1-1,7). Nous avons également retrouvé qu'il existait des associations variables selon la catégorie de CC et la méthode d'AMP considérées. Nous avons observé que l'AMP était associée à une multiplication par 2,4 du risque de tétralogie de Fallot (OR ajusté = 2,4 IC95% 1,5-3,7), alors que nous n’avons pas retrouvé d’association statistiquement significative pour les trois autres CC spécifiques étudiées. Dans notre population, l'exposition à l'AMP ne semblait pas modifier le recours au diagnostic prénatal et à l'interruption médicale de grossesse chez les fœtus porteurs de CC comparés aux fœtus porteurs de CC conçus spontanément. Nous avons par ailleurs observé que le risque de prématurité des fœtus porteurs de CC conçus par AMP était environ 5 fois plus élevé que celui des fœtus porteurs de CC conçus spontanément (OR ajusté = 5,0 IC95% 2,9-8,6). En nous basant sur une méthodologie d'analyses de cheminement, nous avons retrouvé que les grossesses multiples contribuaient pour environ 20% au risque plus élevé de tétralogie de Fallot associé à l'AMP que nous avons observé. Enfin, les grossesses multiples contribuaient pour environ 2/3 du risque de prématurité associé à l'AMP chez les fœtus porteurs de CC. / Using population-Based data, we: 1) assessed the risk of congenital heart defects (CHD) in assisted reproductive techniques (ART) conceived fetuses; and 2) evaluated the effects of ART on prenatal management and perinatal outcomes of fetuses with CHD. We observed that ART were associated with a 40% increased risk of CHD without associated chromosomal anomalies (adjusted OR = 1.4 95%CI 1.1-1.7). We also found varying associations between the different methods of ART and categories of CHD. We observed that ART were associated with 2.4-Higher odds of tetralogy of Fallot (adjusted OR = 2.4 95%CI 1.5-3.7), whereas no statistically significant association was found for the three other specific CHD included. In our population, ART exposure did not seem to modify prenatal diagnosis and termination of pregnancy for fetal anomaly in fetuses with CHD compared to fetuses with CHD conceived spontaneously. The risk for premature birth in fetuses with CHD conceived following ART was 5-Fold higher as compared to fetuses with CHD conceived spontaneously (adjusted OR = 5.0 95%CI 2.9-8.6). Using a path-Analysis method, we found that multiple pregnancies contributed for about 20% to the higher risk of tetralogy of Fallot associated with ART that we had found. Finally, multiple pregnancies contributed for the 2/3 of the risk of premature birth associated with ART in fetuses with CHD.

Plusieurs avancées exceptionnelles ont permis à un nombre grandissant d’enfants avec pathologies cardiaques complexes d’atteindre l’âge adulte. Ainsi, plus de patients développent maintenant des complications en lien avec leur maladie ou leurs antécédents chirurgicaux. Malheureusement, en raison de nombreux obstacles limitant la recherche en cardiopathie congénitale adulte, un écart de savoir perdure et freine l’optimisation des soins. En attendant le couplage de grands registres pédiatriques et adultes facilitant l’accès aux données existantes, les projets multicentriques indépendants demeurent essentiels. Cette thèse présente deux études multicentriques de cohorte comparant des techniques opératoires couramment utilisées dans le traitement de pathologies congénitales cardiaques complexes dans le but de promouvoir la santé des patients à long terme. La première étude visait à évaluer l’impact chronique du type de procédure de Fontan sur le risque thromboembolique. Pour ce projet nord-américain, 522 patients avec connexion atriopulmonaire (21.4%), tunnel latéral (41.8%) ou conduit extracardiaque (36.8%) ont été recrutés. À l’aide d’analyses multivariées contrôlant pour la décennie opératoire et les effets variables dans le temps de l’arythmie et de la thromboprophylaxie, l’étude a conclu à un plus faible risque de complications thromboemboliques systémiques (rapport des risques instantanés [RRI] : 0.20 ; intervalle de confiance [IC] à 95% : 0.04-0.97) et combinées (RRI : 0.34 ; IC à 95% : 0.13-0.91) avec le conduit extracardiaque. Ces résultats remettent en question la croyance populaire selon laquelle cette technique serait plus thrombogène en raison d’un grand contact avec du matériel synthétique et d’un débit limité par le calibre fixe du greffon. La deuxième étude avait pour but d’investiguer, auprès de patients avec tétralogie de Fallot ou sténose pulmonaire corrigée nécessitant une implantation de valve pulmonaire, l’efficacité immédiate et l’innocuité d’une intervention concomitante sur la valve tricuspide. Pour ce projet pancanadien, 542 patients ayant subi un remplacement isolé de la valve pulmonaire (66.8%) ou une chirurgie combinée des valves pulmonaire et tricuspide (33.2%) ont été enrôlés. À l’aide d’analyses multivariées, cette étude a révélé que la chirurgie combinée était associée à une plus grande réduction du grade de régurgitation tricuspidienne qu’un remplacement isolé de la valve pulmonaire (rapport de cotes [RC] : 0.44 ; IC à 95% : 0.25-0.77) sans une augmentation des complications périopératoires (RC : 0.85 ; IC à 95% : 0.46-1.57) ou du temps d’hospitalisation (ratio du taux d’incidence : 1.17 ; IC à 95% : 0.93-1.46). Ces résultats questionnent la pertinence d’une gestion conservatrice de l’insuffisance tricuspide sévère. De plus, ils confirment qu’une procédure ciblée peut améliorer de façon sécuritaire la fuite modérée au-delà de l’effet produit par la décharge du ventricule – une stratégie potentiellement avantageuse auprès de jeunes patients déjà à haut risque de défaillance cardiaque droite. En conclusion, avec une puissance statistique plus élevée que les études précédemment publiées, ces travaux ont permis une comparaison valide et pertinente de techniques opératoires couramment utilisées en chirurgie cardiaque congénitale, ce qui influencera possiblement la pratique. Ultimement, cette thèse souligne l’importance de promouvoir la collaboration afin de répondre aux besoins émergents des patients avec pathologies congénitales cardiaques complexes. / Outstanding technical advances have made possible for a growing number of infants with complex heart disease to survive into adulthood. Consequently, more patients are now living long enough to experience late complications related to their underlying pathology or sequelae from past interventions. However, due to the inherent challenges of carrying research in adult congenital heart disease, important knowledge gaps prevent further optimization of care. Waiting on broad linkage of pediatric and adult databases to facilitate access to data, stand-alone multicenter research initiatives remain essential. The current body of work presents two multicenter cohort studies which were designed to help improving the long-term health of patients with complex heart disease through a comparison of common operative techniques. The first study sought to evaluate the chronic impact of Fontan surgery type on the thromboembolic risk. This North American cohort enrolled 522 patients with univentricular palliation consisting of an atriopulmonary connection (21.4%), lateral tunnel (41.8%) or extracardiac conduit (36.8%). In multivariable analyses stratified by surgical decade and controlling for the time-varying effects of atrial arrhythmias and thromboprophylaxis, extracardiac conduits were independently associated with a lower risk of systemic (hazard ratio [HR]: 0.20 vs. lateral tunnel; 95% confidence interval [CI]: 0.04-0.97) and combined (HR: 0.34 vs. lateral tunnel; 95% CI: 0.13-0.91) thromboembolic events. These results cast doubt on the widely held notion that extracardiac conduits are potentially more thrombogenic than lateral tunnels by virtue of greater exposure to synthetic material and relative flow restriction through a fixed pathway. The second study investigated, in patients with repaired tetralogy of Fallot or equivalent disease undergoing a first pulmonary valve implant, the early effectiveness and safety of concomitant tricuspid valve intervention. This pan-Canadian cohort included 542 patients who underwent isolated pulmonary valve replacement (66.8%) or combined pulmonary and tricuspid valve surgery (33.2%). In multivariable analyses, combined surgery was associated with a greater reduction in tricuspid regurgitation grade than isolated pulmonary valve replacement (odds ratio [OR]: 0.44; 95% CI: 0.25-0.77) without an increase in early adverse events (OR: 0.85; 95% CI: 0.46-1.57) or hospitalization time (incidence rate ratio: 1.17; 95% CI: 0.93-1.46). These results strongly question the appropriateness of conservative management of severe tricuspid regurgitation at the time of pulmonary reintervention. Furthermore, they confirm that concomitant tricuspid valve intervention can safely improve moderate insufficiency beyond the effect of right ventricular offloading – a strategy likely worthwhile to adopt in a population of young adults already at high risk of right heart failure. In conclusion, with higher statistical power than previously published studies, the presented body of work allowed for a valid comparison of common surgical techniques used in congenital cardiac care, which will likely impact current practices. Ultimately, this thesis underlines the importance of fostering collaboration in order to meet the emerging health needs of patients with complex heart disease.

L’acide rétinoïque (AR), dérivé actif de la vitamine A, agit comme un morphogène dans de nombreux processus de développement. Des études antérieures chez l’embryon de poulet (Hochgreb et al., 2003) ont montré que l’ AR est impliqué dans la régionalisation antéro-postérieure du tube cardiaque. Au cours de ma thèse, j’ai cherché à définir le rôle de l’AR dans le développement du coeur et plus particulièrement dans la régionalisation antéropostérieuredu territoire cardiaque. Pour cela, j’ai utilisé les mutants souris déficients pourl’enzyme RALDH2 permettant la synthèse d’AR. L’utilisation de marqueurs spécifiques des progéniteurs cardiaques nous a permis de montrer que l’AR est requis pour établir la bordure postérieure du second champ cardiaque (mésoderme splanchnique).Dans le but de mieux comprendre comment la voie de l’AR agit sur la spécification cardiaque, nous avons voulu identifier ses cibles dans le mésoderme splanchnique. Pour la première fois, nous montrons l’implication des gènes Hox dans la cardiogenèse précoce.L’analyse du lignage des cellules exprimant Hoxa1, Hoxa3 et Hoxb1 nous a permis demontrer que les pôles artériels et veineux ont la même origine au niveau du territoire cardiaque.Nous avons aussi étudié le rôle de l’AR dans la morphogenèse des arcs aortiques et de sesdérivés, en particulier son influence sur le développement de la quatrième artère des arcspharyngés. Cette étude a mis en évidence l’interaction génétique de Raldh2 et du facteur àboîte T, Tbx1, lors de la morphogenèse du quatrième arc aortique. En effet, la diminution de l’AR accélère la récupération des défauts de la quatrième artère des arcs pharyngés chez le modèle murin pour le syndrome de Di George (Tbx1+/-). Nos résultats suggèrent que l’AR estun modificateur de la micro-délétion 22q11 (syndrome de DiGeorge) chez l’homme, ceci pouvant expliquer en partie la grande variabilité des malformations cardiaques des patients DiGeorge.J’ai aussi participé à l’étude du rôle de l’AR dans la différenciation des progéniteurs du myocarde ventriculaire. Ces résultats montrent que l’AR est nécessaire à la différenciation de la population de cellules progénitrices du myocarde. La portée de ces résultats est importante et pourra conduire à plus long terme à la thérapie et la réparation du muscle cardiaque. Enfin,la dernière partie de l’étude se concentre sur le rôle de l’AR dans le développement de la vasculature coronaire. Ce morphogène semble influencer le positionnement des ostia coronaires à l’aorte. / Retinoic acid (RA), the active derivative of vitamin A (retinol), acts as a morphogen inseveral developmental processes. Previous studies in the chick embryo (Hochgreb et al.,2003) have indicated that RA signaling is required to antero-posterior patterning of the cardiac tube. The aim of my thesis was to define the role of RA signaling in heart development and in particular in the establishment of antero-posterior identity of the cardiac field. Thus, we used Raldh2 (Retinaldehyde dehydrogenase 2) mutants that are deficient for RA synthesis. To understand the role of RA, we examined the contribution of the second heart field to pharyngeal mesoderm, atria and outflow tract in Raldh2-/- embryos. Our findingsshown that embryo lacking RA synthesis enzyme RALDH2 have expansion of the secondheart field (splanchnic mesoderm).To better understand the mechanism by which RA signaling regulates the cardiac progenitors,we have identified its targets in the splanchnic mesoderm. We have shown for the first timethat Hox genes contribute to cardiogenesis. Moreover, genetically labeled cells analysis reveals a common origin of the arterial and venous poles in the cardiac field.Then, we have analyzed the role of RA in aortic arch remodeling, in particular its influence onfourth aortic arch arteries. This work demonstrates a genetic interaction between Raldh2 and the T-box factor, Tbx1, during fourth aortic arch formation. Our results shows that decreasedon RA level accelerates recovery of fourth aortic arch artery defects seen in Tbx1-/-, which is amodel of DiGeorge syndrome. Moreover, this study suggests that RA is a modifier of 22q11microdeletion (DiGeorge syndrome) in patient.In a collaborative work, we have analyzed the role of RA in differentiation of ventricular myocardium progenitors. Our results showed that the differentiation of the myocardial progenitor cells required RA. The impact of these results is crucial and would lead to therapyand cardiac muscle repair.The last part of my thesis focuses on the role of RA on coronary vascular development. This morphogen seems to influence the position of coronary ostia to the aorta.

Le nombre d'adultes porteurs de cardiopathies congénitales, de plus en plus sévères est constante progression. A moyen voire long terme certain d’entre eux posent des problèmes d’insuffisance cardiaque et de troubles du rythme parfois létaux. La physiologie de ces complications est multi factorielle et s’écarte souvent des schémas habituels. L’asynchronisme ventriculaire présentent chez un nombre important d’entre eux est connu pour favoriser un remodelage ventriculaire conduisant à l’insuffisance cardiaque sur cœur sain.Dans ce travail en couplant données expérimentales animales et études cliniques, nous avons étudié : 1) l’impact aigu puis chronique de la resynchronisation biventriculaire sur un modèle animal d’insuffisance cardiaque droite mimant la tétralogie de Fallot et sur une population de patients ; 2) le rôle et la conséquence d’une stimulation conventionnelle sur une physiologie de ventricule droit systémique ; 3) l’effet délétère de la stimulation VD prolongée sur un modèle de cœur animal en cours de développement.Nous avons appris que 1) la resynchronisation biventriculaire permet un bénéfice hémodynamique significatif chez l’animal mais aussi sur une population de Fallot implantées ; 2) que l’asynchronisme généré par la stimulation conventionnelle est délétère pour la fonction du ventricule systémique mais aussi pour le cœur de l’enfant en cours développement. La resynchronisation est un traitement prometteur pour traiter l’insuffisance cardiaque mais pourrait aussi l’être pour en prévenir sa survenue. De nouvelles techniques d’implantation nous permettent aujourd’hui d’implanter des patients qui présentent beaucoup d’obstacles anatomiques et d’éviter nombre de complications grave de la stimulation. / The number of adults with severe congenital heart disease is constantly growing. At medium to long-term follow up, these patients may present with heart failure or conduction disorders, which may lead to death. The pathophysiology and clinical course of these complications is multi-factorial and may be different from that in patients without congenital heart disease. In normal hearts, electromechanical dyssynchrony is known to induce ventricular remodeling and heart failure. Ventricular asynchrony is also present in a substantial number of adults with congenital heart disease. In this study, we combined animal experiments and clinical studies to investigate: 1) the acute and chronic effect of biventricular resynchronization therapy on cardiac function in an animal model mimicking right ventricular heart failure in Tetralogy of Fallot, as well as in patients with Tetralogy of Fallot; 2) the consequences of conventional ventricular pacing in patients with ‘systemic right ventricle physiology’; 3) the effects of chronic right ventricular pacing in an animal model of the developing heart.We found that: 1) biventricular resynchronization induces significant hemodynamic benefit in the animal model of Tetralogy of Fallot as well as in Fallot patients; 2) ventricular asynchrony induced by conventional ventricular pacing is deleterious to the function of the systemic right ventricle; 3) chronic right ventricular pacing is harmful to the developing (pediatric) heart with normal biventricular anatomy. Cardiac resynchronization therapy is promising as a treatment for heart failure, but may also prevent heart failure. Nowadays, new implantation techniques allow us to implant pacing devices in patients with limited anatomical access due to prior surgery and help to avoid numerous severe complications of conventional pacing therapy