Parmi les causes de décès d'origine cardiaque, les troubles du rythme occupent une place majeure, particulièrement les troubles auriculaires. Cette situation alarmante a motivé une recherche intense, mais qui est limitée par la disponibilité de modèles expérimentaux permettant de reproduire les mécanismes cellulaires de déclenchement et d'extensions de ces anomalies. Qu'ils surviennent sur un cœur sain ou pathologique, qu'ils soient bénins ou potentiellement dangereux (risque de mort subite), les troubles du rythme constituent un chapitre important de la cardiologie. Ils posent d'importants problèmes d'ordre diagnostique, pronostique, et thérapeutique. Ils peuvent se produire au niveau atrial (nœud auriculo-ventriculaire, plus tronc du faisceau de HIS avant sa division) ou ventriculaire (après la division du faisceau de HIS en ses deux branches droite et gauche), et ils obéissent à différents mécanismes, au premier rang desquels les réentrées et les hyperautomatismes. Cette thèse s'intéresse à l'étude et la modélisation des troubles du rythme cardiaque à l'échelle cellulaire. Ainsi la problématique de la thèse peut être résumée succinctement par ces quelques mots clés : système non-linéaire, modèles cardiaques, ondes spirales, défibrillation.... Une des questions qui a été soulevée est : comment optimiser le processus de défibrillation pour qu'il soit le moins contraignant pour le patient ? Nous avons commencé par nous intéresser à la défibrillation par stimulation électrique. La stimulation externe peut terminer la fibrillation mais peut aussi éventuellement générer de nouvelles ondes dans le tissu cardiaque. Ce dernier effet de stimulation semble inévitable, si l'énergie de stimulation dépasse certains seuils. Nous nous sommes posé alors une question: comment peut-on terminer la fibrillation en appliquant une stimulation sous le seuil pour éviter d'engendrer d'autres problèmes. Après quelques pistes de réflexion, nous nous sommes orientés vers une stratégie hybride de stimulation qui permet d'atteindre cet objectif. En parallèle de ces travaux, nous avons travaillé aussi sur un système expérimental à base de MEA (Multi Electrodes Array). Ce système nous permet d'acquérir des signaux de cellules cardiaques de rats nouveau-nés en culture in vitro. Etant donné que les données recueillies peuvent être bruitées et erronées, nous avons utilisé des ondelettes pour le débruitage et la méthode de décomposition par les valeurs singulières pour éliminer les mauvais signaux. Comme mentionné précédemment, la stimulation peut provoquer de nouvelles ondes dans le tissu, ceci a été observé expérimentalement sous forme d'ondes spirales. Les prochains travaux serviront à approfondir " la stimulation hybride " au niveau théorique. Ensuite en profitant de notre plateforme MEA, nous allons tester la stratégie de défibrillation par stimulation hybride au niveau expérimental.

Le nombre d’adultes porteurs d’une tétralogie de Fallot opérée dans l’enfance est en constante augmentation. Initialement, ces patients étaient considérés comme guéris. A l’âge adulte, ils présentent en fait des complications d’ordre rythmique, responsables de morts subites, et des complications d’ordre mécanique : dilatation du ventricule droit (VD) liée à l’insuffisance pulmonaire chronique, séquellaire de la première chirurgie de réparation de la cardiopathie. Les mécanismes de l’arythmie ainsi qu’une éventuelle interaction entre la dysfonction VD et la survenue de ces arythmies ne restent que partiellement élucidés. Dans ce travail, en couplant les données d’études cliniques et les données expérimentales issues d’un modèle animal (MA) mimant une tétralogie de Fallot réparée, nous avons montré que 1) l’échocardiographie ne pouvait pas se substituer à l’IRM pour la surveillance des patients avec tétralogie de Fallot réparée 2) la valvulation pulmonaire restait une intervention à risque de mortalité 3) une bioprothèse non stentée était une bonne solution pour effectuer cette valvulation 4) en cas de fuite tricuspidienne sévère lors de cette valvulation, une plastie était indispensable 5) plusieurs gènes participaient au remodelage ventriculaire droit (analyse génétique effectuée sur le MA) 6) le remodelage électrophysiologique du VD (MA) s’accompagnait de propriétés pro-arythmogènes. Les mécanismes de décompensation sont intriqués : un lien entre dysfonction VD et arythmie paraît bien établi. D’autres analyses électrophysiologiques sont en cours au niveau du ventricule gauche (MA), pour rechercher d’autres mécanismes pro-arythmogènes. / The number of adults with a repaired tetralogy of Fallot is increasing. In the past, those patients were considered healed. Nonetheless, they present arrhythmogenic issues, with frequent sudden death, and mechanical complications: right ventricular dilation due to long lasting pulmonary valve regurgitation, secondary to surgical repair. The origin of arrhythmia and its interaction with right ventricular dysfunction is only partially understood. In this study, combining clinical with experimental data, we pointed out: 1) concerning the follow-up of this population, echocardiography is not a substitute to MRI 2) operative mortality of pulmonary valve replacement (PVR) still exists 3) a stentless bioprosthesis represents a valid solution for PVR 4) a valve repair is mandatory for severe tricuspid valve regurgitation at PVR 5) the genetic analysis carried out in an animal model of repaired tetralogy of Fallot, demonstrated the involvement of numerous genes in right ventricular remodeling 6) remodeling of the right ventricle in this animal model generates pro-arrhythmic substrate. Heart failure mechanisms in repaired tetralogy of Fallot are complex: a link between right ventricular dysfunction and arrhythmias is demonstrated. Further studies are needed to investigate other pro-arrhythmic mechanisms involving the left ventricle.

Ce travail a eu pour but (1) de comparer les différentes méthodes d'évaluation de la balance sympatho-vagale (BSV) actuellement utilisées chez le rat, et (2) d'évaluer les effets d'une altération de la BSV en faveur d'une prédominance vagale sur l'instabilité électrique atriale spontanée chez le rat spontanément hypertendu (SHR) vieillissant. L'électrocardiogramme a été mesuré chez les rats éveillés grâce à une sonde télémétrique chroniquement implantée. La méthode de référence pour l'estimation de la BSV repose sur le calcul du rapport de la fréquence cardiaque (FC) de repos à la FC intrinsèque. Selon que l'index est supérieur ou inférieur à 1, on peut conclure respectivement à une prédominance sympathique ou à une prédominance vagale. La FC intrinsèque est obtenue par l'administration combinée d'antagonistes sélectifs des deux branches du système nerveux autonome, c'est-à-dire un bloqueur β-adrénergique (aténolol) et un antagoniste des récepteurs muscariniques (méthylatropine). Les autres méthodes (mesure séparée des tonus autonomes, index extraits de l'analyse de la variabilité sinusale) fournissent des résultats incohérents ou contradictoires. L'administration chronique d'un inhibiteur de l'acétylcholinestérase (pyridostigmine) chez des rats SHR vieillissants induit une hypertonie vagale relative (BSV=0,81±0,02) par rapport aux rats non traités (BSV=1,06±0,01) qui s'accompagne d'une bradycardie sinusale et d'une augmentation de la fréquence et de la durée des épisodes de tachyarythmie atriale. Ces études démontrent l'intérêt de la méthode de référence pour l'estimation de la BSV chez le rat éveillé. La potentialisation de l'activité vagale endogène aggrave l'instabilité électrique atriale chez le rat SHR vieillissant, ce qui confirme le rôle pathogénique du système nerveux parasympathique dans ce modèle / The aim of the present work was (1) to compare the different methods currently used to assess sympathovagal balance (SVB) in rats, and (2) to assess SVB alterations towards vagal predominance on atrial electrical instability in aging spontaneously hypertensive rats (SHR). The electrocardiogram was measured in conscious rats using chronically implanted telemetric probes. The reference method to estimate SVB is based on the calculation of the ratio of intrinsic heart rate (HR) to resting HR. Depending on whether the index is greater or lower than 1, one can conclude to sympathetic or vagal predominance, respectively. Intrinsic HR is obtained after the combined administration of selective antagonists of both branches of the autonomic nervous system, i.e. β- adrenergic blocker (atenolol) and muscarinic receptor antagonist (methylatropine). Other methods (autonomic tones measured separately, calculation of indices derived from heart rate variability analysis) provide inconsistent or conflicting results. The chronic infusion of an acetylcholinesterase inhibitor (pyridostigmine) in aging SHRs induced relative vagal hypertonia (SVB=0.81±0.02) in comparison with untreated rats (SVB=1.06±0.01) along with sinus bradycardia and increased frequency and duration of atrial tachyarrhythmia episodes. These studies highlight the value of the reference method for evaluating SVB in conscious rats. Potentiation of endogenous vagal activity aggravates atrial electrical instability in aging SHRs, consistent with a pathogenic role of the parasympathetic nervous system in this model

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Rationnel et objectif - La fibrillation atriale (FA) est la pathologie rythmique supra-ventriculaire la plus fréquemment diagnostiquée. Le remodelage atrial, qu’il soit électrique ou structurel, conduit à la mise en place et au développement de la cardiomyopathie atriale. La cardiomyopathie atriale est responsable de différentes complications : d’une part mécaniques conduisant à l’augmentation du risque thrombo-embolique et de l’insuffisance cardiaque, d’autre part électriques conduisant à différentes arythmies atriales dont la FA. L’objectif du présent travail est de caractériser les déterminants du remodelage atrial et de leur effet pro-arythmique à l’étage supra-ventriculaire dans la FA. Principaux résultats – Le premier axe de recherche a permis d’objectiver le remodelage induit par le flutter atrial (FLA) chronique à l’aide d’un modèle chronique canin. Le FLA est à l’origine d’un remodelage atrial électrique avec une augmentation de la vulnérabilité à développer de la FA et une diminution des périodes réfractaires effectives (PRE). Cependant, le FLA n’induit pas de remodelage structurel avec notamment l’absence d’augmentation de la durée de FA, de diminution des vitesses de conduction et d’augmentation du processus fibrotique atrial. À noter que la FA chronique, en présence d’un substrat anatomique de FLA, présente des caractéristiques électrophysiologiques originales, en terme de durée de cycle et de d’arythmie et de sa stabilité. De plus, l’ablation du FLA permet de diminuer significativement la durée mais pas la vulnérabilité à présenter des arythmies supra-ventriculaires. Le second axe de recherche a permis de caractériser le rôle différentiel de l’arythmie atriale de la réponse ventriculaire rapide en cas de FA dans le développement du remodelage atrial. Nos travaux ont caractérisé le remodelage atrial induit par l’arythmie atriale isolée en cas de FA : d’une part électrique via la diminution des PRE et l’augmentation de la vulnérabilité ; d’autre part structurel via la diminution des vitesses de conduction et les anomalies des canaux sodiques, des jonctions communicantes et du processus fibrotique. La réponse ventriculaire rapide isolée induit également un remodelage atrial à type d’augmentation de la vulnérabilité, de diminution des vitesses de conduction, d’anomalies modérées du processus fibrotique et des canaux sodiques. À noter une dégradation modérée de la fonction systolique ventriculaire gauche. Cependant, ce remodelage atrial est significativement différent du remodelage induit par l’insuffisance cardiaque. De plus, il existe un effet synergique au niveau du remodelage atrial de l’arythmie atriale et de la fréquence ventriculaire élevée en cas de FA, au niveau du processus fibrotique notamment. Le troisième axe de recherche a permis d’objectiver le rôle de la cilnidipine, un inhibiteur calcique de type N et L, dans la limitation du remodelage atrial en cas de FA chronique, à l’aide d’un modèle aigü et chronique canin. Nos travaux ont caractérisé l’action anti-remodelante de la cilnidipine au niveau électrique, via la limitation de la diminution des PRE, de l’augmentation de la vulnérabilité atriale et de la durée de FA. D’autre part, la cilnidipine semble limiter le remodelage atrial, ce qui est objectivé par la normalisation des vitesses de conduction, de l’expression des canaux sodiques, des jonctions communicantes et de la fibrose tissulaire. La cilnidipine, contrairement aux inhibiteurs calciques de type L tels que la nifédipine, possède une activité anti-remodelante via la modulation de l’activité du système nerveux autonome. Conclusion – Différents facteurs, tels que le flutter atrial, les fréquences atriales et ventriculaires en cas de FA, ont été caractérisés comme déterminants du développement du remodelage atrial. A contrario, la modulation d’un des déterminants du remodelage atrial, le système nerveux autonome via la cilnidipine, permet de de limiter le remodelage atrial secondaire à la FA. Ce travail fournit de nouvelles données sur les mécanismes impliqués dans le remodelage atrial lié à la FA et introduit de nouvelles approches préventives au développement de la FA. / Rational and objective - Atrial fibrillation (AF) is the most common arrhythmia in clinical practice. Atrial remodeling, whether electrical or structural, leads to the development of atrial cardiomyopathy. The atrial cardiomyopathy results in various complications: on one hand, mechanical with an increased thromboembolic risk and heart failure, and on the other hand electrical prdeisposing to atrial arrhythmias including AF. The aim of the thesis was to characterize the determinants of atrial remodeling, and their proarrhythmic effect in AF. Main results - The first part of the thesis focused on the characterization of the atrial remodeling induced by sustained atrial flutter (AFL) in a chronic canine model in order to characterize the interrelationship between AF and AFL. AFL caused electrical remodeling, including increased AF vulnerability and decreased effective refractory periods (ERPs). However, failed to influence AF duration, atrial conduction velocities and fibrosis. Chronic AF in the presence of an anatomical substrate for AFL led to specific AF characteristics, in terms of cycle length and its variability. In addition, AFL ablation significantly reduced arrhythmia duration but not AF vulnerability. The second part of the thesis characterized the differential role of atrial arrhythmia and ventricular response in AF-induced atrial remodeling. We characterized the atrial remodeling induced by lone atrial arrhythmia in AF, with AV-block to prevent high ventricular rate: on the one hand electrical via decreased ERP, reduced expression of sodium channels and gap junctions, which increased AF vulnerability; on the other hand, structural fibrosis which contributed to conduction slowing. Lone high-rate ventricular response also induced atrial remodeling involving increased AF vulnerability, decreased atrial conduction velocities, moderate abnormalities of fibrosis and sodium channel downregulation. In addition, there was a synergistic effect on atrial remodeling of combined atrial arrhythmia and high ventricular rate, especially regarding fibrosis. Thus, atrial tachyarrhythmia and rapid ventricular response during AF produce distinct atrial remodeling; both can contribute to the arrhythmogenic substrate. These results provide new insights into the determinants of AF-related remodeling and provide novel considerations for ventricular rate-control. The third part of the thesis studies the ability of cilnidipine, an N- and L-type calcium channel blocker, to alter autonomic, electrical and structural remodeling associated with chronic AF, in a subacute and chronic dog model. We found that the cilnidipine inhibits the electrophysiological, autonomic and structural consequences of AF-related remodeling and the AF-associated increase in AF-vulnerability and AF-duration; in contrast, the highly selective L-type calcium channel blocker nifedipine had no protective effects. The protective effects of cilnidipine on the remodeling consequences of short-term AF were principally manifested by reductions in AF-induced ERP-abbreviation. With longer-term AF, cilnidipine also attenuated conduction-velocity reductions, protecting against AF-induced fibrosis and downregulation of sodium-channel and connexin subunits. Cilnidipine’s anti-remodeling properties were associated with suppression of the changes in autonomic tone caused by AF. Conclusion - Thus, we have shown 1) the distinct remodeling phenotypes produced by the closely related atrial re-entrant arrhythmias AFL and AF, as well as the interaction when they co-exist; 2) the specific contributions of the atrial rhythm and ventricular rate consequences of AF and how they interact; and 3) the ability of autonomic outflow inhibition by blocking N-type Ca2+-channels to prevent both electrical and structural components of AF-induced profibrillatory remodeling. This work provides new insights into the mechanisms involved in AF-related atrial remodeling and introduces novel preventive approaches.