Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Protéolyse du facteur von Willebrand et cardiopathies à forces de cisaillement élevées: nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques Dans la première partie de ce travail, nous mettons en évidence l’intérêt d’une immunothérapie spécifique à base d’anticorps monoclonal pour la prévention de la dégradation du facteur von Willebrand (VWF) sous assistance circulatoire mécanique à flux continu. Via un anticorps monoclonal murin ciblant le domaine D4 du VWF et inhibant partiellement l’interaction VWF-ADAMTS13, une inhibition partielle de la dégradation du VWF est observée sur sang total dans un modèle ex-vivo d’assistance circulatoire mécanique.Dans la seconde partie, nous avons étudié l’influence de soudaines variations de l’intensité des forces de cisaillement sur la multimérisation du VWF dans 3 modèles in-vivo: un modèle lapin de sténose de l’aorte ascendante, à l’initiation d’une assistance ventriculaire gauche par une pompe à flux continu chez des patients en insuffisance cardiaque terminale et lors d’un remplacement valvulaire aortique par voie percutané chez des patients avec un rétrécissement aortique sévère. Les variations observées du profil multimérique sont très dynamiques survenant quelques minutes après les modifications des conditions de flux. Notre étude met ainsi en évidence une nouvelle application potentielle du VWF comme biomarqueur d’anomalies de flux dans les cardiopathies à forces de cisaillement élevées. Un monitoring en temps réel du VWF pourrait notamment avoir un intérêt en cardiologie interventionnelle pour les techniques percutanées utilisées pour le traitement du rétrécissement aortique.La dernière partie de ce travail porte sur le développement d’un test ELISA pour le diagnostic des formes acquises ou constitutionnelles de maladie de Willebrand secondaire à une protéolyse excessive du VWF par l’ADAMTS13. Ce test pourrait constituer une alternative intéressante aux actuelles méthodes électrophorétiques pour le diagnostic et la prise en charge de ces pathologies hémorragiques. / In the first part of the thesis, we describe a novel approach based on antibody-based therapy to prevent the acquired von Willebrand factor (VWF) degradation observed in continuous-flow mechanical circulatory assist device therapy. Via a murine monoclonal antibody directed against VWF D4 domain and thus interfering with VWF-ADAMTS13 binding, a partial inhibition of VWF degradation is observed in whole blood using an ex vivo circulatory assist device model. In the second part of the thesis, we investigated the relationship between acute changes in shear stress and variations in VWF multimeric profile in three distincts models in vivo: in a rabbit aortic banding model, in end-stage heart failure patients at initiation of continuous-flow ventricular assist device therapy and in severe aortic stenosis patients undergoing percutaneous aortic valve procedures. Variations in VWF multimeric profile in those settings are highly dynamic occuring within minutes after changes in shear stress status. Our study highlights that VWF could be used as a biomarker of blood flow in high shear cardiovascular disorders. A bedside VWF-monitoring could be of clinical interest in interventional cardiology for percutaneous aortic valve procedures used in severe aortic stenosis.The last part of the thesis focused on the development of an ELISA-based diagnosis of constitutive or acquired VWF disorders associated with an increased ADAMTS13-mediated VWF proteolysis. Such assay might represent an attractive alternative to electrophoresis-based assays in the diagnosis and management of such bleeding disorders.

La mégacaryopoïèse représente le processus de différenciation des cellules souches hématopoïétiques (CSH) en mégacaryocytes (MK). Ce processus précède la thrombopoïèse qui aboutira à la formation des plaquettes sanguines. Ces processus complexes ont lieu 1) au sein de la structure tridimensionnelle (3D) de la moelle osseuse, 2) dans les vaisseaux sinusoïdes de la moelle et 3) dans la circulation sanguine. Le but général de ce travail a été de comprendre le mécanisme de chaque étape. Le premier objectif a été d’étudier les effets d’une structure poreuse 3D mimant celle de la moelle osseuse, sur la différenciation mégacaryocytaire et la production plaquettaire in vitro. Cette étude a permis de démontrer que la synergie entre l’organisation spatiale et les signaux du microenvironnement améliore la production en MK et en plaquettes. Par la suite, nous avons souhaité caractériser in vitro et in vivo les plaquettes produites en conditions de flux. Nous avons notamment mis en évidence la capacité des plaquettes produites in vitro dans un système de microfluidique, à s’incorporer et à participer à la formation d’un thrombus in vitro et in vivo contrairement aux plaquettes obtenues en statique. Ces travaux prouvent donc l’intérêt d’une part, de mimer le microenvironnement de la moelle osseuse et d’autre part, de reproduire les forces de cisaillement du sang afin d’améliorer et d’augmenter la production de plaquettes in vitro pour de futures applications en thérapeutique. / Megakaryopoiesis is a process allowing hematopoietic stem cell (HSC) to proliferate and differentiate into megakaryocytes (MK). It is followed by thrombopoiesis allowing blood platelet production. These processes occur 1) in the bone marrow three-dimensional (3D) structure, 2) in the bone marrow sinusoid vessels and 3) in the blood flow. Our general aim was to decipher the mechanism associated to each process. The first objective was to study the effects of porous 3D structure on MK differentiation and platelet production. This study demonstrated that the synergy between spatial organization and biological cues improved MK and platelet production. We also characterized platelets produced from mature MK in flow conditions, with respect to their in vitro and in vivo properties. We highlighted the capacity of flow-derived platelets to incorporate in a thrombus in vitro and in vivo, compared to static-derived platelets. These works represent some new developments for mimicking the bone marrow structure and to reproduce blood shear forces in order to improve and increase in vitro platelet production for therapeutic use.

Les piles à combustible microbiennes, en tant que biotechnologie potentiellement durable, peuvent assurer la conversion directe de la matière organique en électricité en utilisant des biofilms bactériens comme biocatalyseurs. Dans un context politique où les législations françaises et européennes favorisent et imposent la revalorisation des déchets organiques provenant des industries ou des collectivités territoriales, les biopiles microbiennes semblent un moyen peu couteux et prometteur pour répondre à ce besoin. Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances sur la formation des biofilms électroactifs à la surface de l'anode, et de comprendre les mécanismes impliqués dans la compétition entre les bactéries électroactives et les autres communautés bactériennes dans le but d'améliorer la sélection des bactéries électroactives dans le biofilm anodique. Une attention particulière sera portée sur les forces de cisaillement comme un outil de control de la formation des biofilms anodiques. Ces recherches ont pour but à long terme d'améliorer la production d’électricité produite par les biopiles microbiennes, et plus particulièrement d’améliorer les performances du compartiment anodique, en vue d’appliquer cette technologie dans les stations d’épurations pour la réduction du coût énergétique du traitement des eaux usées. A travers cette thèse, différents points sur la dynamique des communautés bactériennes lors de la formation du biofilm ont été mis en évidence. La formation du biofilm est divisée en deux étapes. Dans un premier temps, les bactéries électroactives (EAB) non spécifiques se développent dans toutes les biopiles, produisant ou non de l'électricité et dans le milieu liquide comme sur l’anode. Les EAB spécifiques deviennent ensuite plus compétitives et prédominantes mais seulement dans les biopiles produisant de l'électricité et seulement dans le biofilm anodique. Cette deuxième étape correspond à une augmentation exponentielle de la production d'électricité. A partir de ces résultats, nous émettons l'hypothèse qu'une inhibition de la première étape devrait diminuer la compétition entre les EAB non spécifiques et spécifiques au cours de la colonisation anodique, et favoriser la croissance des EAB spécifiques dans le biofilm. Nous proposons d'utiliser la contrainte de cisaillement pour sélectionner les EAB spécifiques pendant l'étape d'adhésion en détachant les EAB non spécifiques. Dans un premier temps, pour cette étude, des biopiles avec une configuration de chambre à écoulement de cisaillement ont été conçues, construites et mises en place. Les résultats démontrent que sous une contrainte de cisaillement élevée, l'abondance des EAB spécifiques telle que Geobacter était très élevée, jusqu'à 30,14% en opposition à une contrainte de cisaillement faible où l'abondance relative était inférieure à 1%. En outre, la contrainte de cisaillement diminue le pourcentage de couverture de la surface anodique, ce qui montre que la sélection des EAB spécifiques se produit en détachant d'autres bactéries. Ainsi, la contrainte de cisaillement pourrait être utilisée pour sélectionner les EAB spécifiques durant les premières étapes d’adhésion. Enfin, l'effet de la contrainte de cisaillement sur la sélection microbienne au cours de la croissance du biofilm a été étudié. Ces résultats confirment les conclusions précédentes: les EAB spécifiques sont sélectionnées lorsque les contraintes de cisaillement sont plus élevées. Ce travail démontre le rôle majeur des contraintes de cisaillement dans la formation du biofilm L'utilisation de contraintes de cisaillement pourrait être un moyen de contrôler la sélection des EAB et la quantité de matières mortes dans les biofilms anodiques. C’est un facteur qui devrait être pris en compte dans l’architecture et la mise en place des réacteurs / Microbial fuel cells (MFCs), as a potentially sustainable biotechnology, can directly convert organic matter into electricity by using bacterial biofilms as biocatalysts. In a political context where European legislation favors and imposes the revalorization of organic waste from industries, MFC seems an inexpensive and promising technology to meet this need. The aim of this thesis is to improve knowledge of the formation of electroactive biofilms on the anodic surface, and to understand the mechanisms involved in the competition between electroactive bacteria (EAB) and other bacteria. Special attention will be paid to shear force as a tool to control the formation of anodic biofilms. First, bacterial successions have been studied under stationary conditions and in standard laboratory configurations. The results show that the formation of the biofilm is divided in two stages. At first, non-specific EAB grow in all MFCs, producing or not electricity. Then, specific EAB become predominant only in MFCs producing electricity and is associated to an exponential increase of electricity. From these results, we hypothesize that inhibition of the first step should decrease the competition between nonspecific and specific EAB. We propose to use the shear stress to select specific EAB during the adhesion. First, MFCs with a shear stress flow chamber configuration were designed, constructed and set up. The results show that the proportion of specific EAB such as Geobacter was higher, up to 30.14% as opposed to a lower shear stress (less than 1%). Then, the effect of shear stress on microbial selection during biofilm growth was studied. These results confirm the previous conclusions: specific EAB are selected when shear stress is higher. This work demonstrates the major role of shear stress in biofilm formation and could be a way to control the selection of EAB. This factor should be taken into account in the architecture and implementation of the reactors

In vivo, la pression artérielle au niveau des artères cérébrales est pulsée, alors que ex vivo, l’étude de la fonction cérébrovasculaire est majoritairement mesurée en pression statique. L’impact de la pression pulsée sur la régulation du tonus myogénique et sur la fonction endothéliale cérébrale est inconnu. Nous avons posé l’hypothèse selon laquelle en présence d'une pression pulsée physiologique, la dilatation dépendante de l’endothélium induite par le flux et le tonus myogénique seraient optimisés. L’objectif de notre étude est d’étudier ex vivo l’impact de la pression pulsée sur le tonus myogénique et la dilatation induite par le flux dans les artères cérébrales de souris. Nous avons utilisé un artériographe pressurisé couplé à un système générant une onde pulsée de fréquence et d’amplitude réglables. Les artères cérébrales moyennes (≈160 μm de diamètre) ont été isolées de souris C57BL6 âgées de 3 mois et pressurisées à 60 mm Hg, en pression statique ou en pression pulsée. En pression statique, le tonus myogénique est faible mais est potentialisé par le L-NNA (un inhibiteur de la eNOS) et la PEG-catalase (qui dégrade le H2O2), suggérant une influence des produits dilatateurs dérivés de la eNOS sur le tonus myogénique. En présence de pression pulsée (pulse de 30 mm Hg, pression moyenne de 60 mm Hg, 550 bpm), le tonus myogénique est significativement augmenté, indépendamment du L-NNA et de la PEG-catalase, suggérant que la pression pulsée lève l’impact de la eNOS. En pression statique ou pulsée, les artères pré-contractées se dilatent de façon similaire jusqu’à une force de cisaillement de 15 dyn/cm2. Cette dilatation, dépendante de l’endothélium et de la eNOS, est augmentée en condition pulsée à une force de cisaillement de 20 dyn/cm2. En présence de PEG-catalase, la dilatation induite par le flux est diminuée en pression statique mais pas en pression pulsée, suggérant que la pression statique, mais pas la pression pulsée, favorise la production de O2 -/H2O2. En effet, la dilatation induite par le flux est associée à une production de O2 -/H2O2 par la eNOS, mesurable en pression statique, alors que la dilatation induite par le flux en pression pulsée est associée à la production de NO. Les différences de sensibilité à la dilatation induite par le flux ont été abolies après inhibition de Nox2, en condition statique ou pulsée. La pression pulsée physiologique régule donc l’activité de la eNOS cérébrale, en augmentant le tonus myogénique et, en présence de flux, permet la relâche de NO via la eNOS. / While in vivo arterial blood pressure in cerebral arteries is pulsatile, in vitro cerebral arterial function is generally assessed under a static pressure. Thus, whether pulse pressure regulates cerebral endothelial shear stress sensitivity and myogenic tone is unknown. We hypothesized that a physiological pulse pressure induces a better flow-mediated dilation and optimized myogenic tone. The aim of this study was to test in vitro the impact of pulse pressure on myogenic tone and eNOS-dependent flow-mediated dilation in mouse cerebral arteries. Using a custom computer-controlled pneumatic system generating a pulse pressure (used at 30 mm Hg, rate of 550 bpm) coupled to an arteriograph, isolated posterior cerebral arteries from 3-month old C57Bl/6J mice were pressurized at 60 mm Hg, either in static or pulse pressure conditions. Shear stress from 2 to 20 dyn/cm2 was applied and flow-mediated dilation measured. Without pulse pressure, myogenic tone was low but potentiated by both L-NNA (eNOS inhibitor) and PEG-catalase (catalyses H2O2), suggesting an influence of eNOS-derived dilator products on myogenic tone. Pulse pressure significantly increased myogenic tone, independently of L-NNA and PEG-catalase, suggesting that pulse pressure prevents the impact of eNOS. In both static and pulse pressure conditions, cerebral arteries did not dilate to shear stress in the presence of L-NNA or after endothelial denudation, confirming the endothelial origin of the dilatory response. Up to 15 dyn/cm2, shear stress elicited similar flow-mediated dilation in static and pulse pressure conditions; at 20 dyn/cm2, however, flow-mediated dilation were higher in the presence of pulse pressure. PEG-catalase reduced flow-mediated dilation in static but not in pulse pressure, suggesting that in static conditions eNOS is responsible for O2 -/H2O2 production. Indeed, eNOS-derived O2 -/H2O2 production was measured during flow-mediated dilation in static pressure, while pulse pressure promoted eNOS-derived NO production. Differences in flow-mediated dilation between static and pulse pressure conditions were abolished after Nox2 inhibition. In conclusion, pulse pressure modulates cerebrovascular eNOS activity: at rest, pulse pressure inhibits eNOS, increasing myogenic tone. In the presence of flow, pulse pressure permits a shear stress-dependent eNOS-derived NO release, leading to higher flow-mediated dilation.

La placentation humaine est de type hémomonochoriale, le sang maternel est directement en contact avec le syncytiotrophoblaste. Les flux sanguins maternels, dans la chambre intervilleuse, exercent des forces mécaniques de cisaillement (shear stress) sur la surface microvillositaire du syncytiotrophoblaste. Les effets physiologiques du shear stress exercé par les flux sanguins sur l’endothélium vasculaire artériel et veineux ont fait l’objet de nombreux travaux scientifiques. En revanche, les effets biologiques du shear stress sur le syncytiotrophoblaste humain n’ont jamais été explorés. L’objectif de ce travail était premièrement d’évaluer les valeurs du shear stress exercé in vivo sur le syncytiotrophoblaste humain au cours des grossesses normales, puis de mettre au point un modèle de culture primaire dynamique afin de reproduire les conditions physiologique et d’étudier in vitro la réponse biologique du syncytiotrophoblaste au shear stress. En dépit d’un débit sanguin maternel intraplacentaire important, estimé entre 400 et 600 mL.min-1, le shear stress moyen exercée par le syncytiotrophoblaste est estimée entre 0.5±0.2 et 2.3±1.1 dyn.cm-2. Nos résultats montrent cependant que l’intensité du shear stress est très hétérogène tant à l’échelle de la chambre intervilleuse que de la villosité terminale. Nous avons développé un modèle de culture cellulaire dynamique en condition de flux adapté au syncytiotrophoblaste humain. Ce modèle permet d’appliquer un shear stress égal et constant sur toutes les cellules cultivées et reproductible à chaque culture primaire. Aux gammes de shear stress étudiées (1 dyn.cm-2), nous n’avons pas mis en évidence de diminution de la viabilité cellulaire ni de déclenchement des processus précoces d’apoptose en conditions dynamiques comparativement aux conditions statiques. Deux types de chambre de perfusion permettent d’étudier des réponses cellulaires au shear stress à court et long terme selon des temps d’exposition allant de 5 minutes à 24 heures. Ce modèle expérimental a permis de montrer que le syncytiotrophoblaste humain en culture primaire est mécanosensible. La réponse cellulaire à des niveaux de shear stress de 1 dyn.cm-2 est multiple selon les temps d’exposition et le niveau d’intégration étudié. Après 45 minutes de shear stress les taux d’AMP cyclique intracellulaires sont augmentés ce qui a pour effet d’activer la voie de signalisation intracellulaire PKA-CREB. Cette augmentation d’AMP cyclique est secondaire à la synthèse et la libération de prostaglandine E2 qui, par une boucle de régulation autocrine stimule l’adenylate cyclase. L’augmentation de la synthèse/libération de PGE2 est dépendante de l’augmentation rapide du calcium intracellulaire sous shear stress. L’exposition au shear stress de 24 heures stimule l’expression et la sécrétion du PlGF, un facteur de croissance indispensable à l’angiogenèse placentaire et pour l’adaptation maternelle à la grossesse sur le plan vasculaire. Nos travaux montrent que l’augmentation de l’AMPc intracellulaire et l’activation de la PKA contribuent à la phosphorylation de CREB, facteur de transcription régulant l’expression du PlGF. / Human placentation is hemomonochorial, maternal blood circulates in direct contact with the syncytiotrophoblast. In the intervillous space, the maternal blood exerts frictional mechanical forces (shear stress) on the microvillous surface of the syncytiotrophoblast. Flowing blood constantly exerts a shear stress, on the endothelial cells lining blood vessel walls, and the endothelial cells respond to shear stress by changing their morphology, function, and gene expression. The effects of shear stress on the human syncytiotrophoblast and its biological functions have never been studied. The objectives of this study were (1) to determine in silico the physiological values of shear stress exerted on human syncytiotrophoblast during normal pregnancies, (2) to develop a model reproducing in vitro the shear stress on human syncytiotrophoblast and (3) to study in vitro the biological response of human syncytiotrophoblast to shear stress. The 2D numerical simulations showed that the shear stress applied to the syncytiotrophoblast is highly heterogeneous in the intervillous space. In spite of high intraplacental maternal blood flow rates (400-600mL.min-1), the estimated average values of shear stress are relatively low (0.5±0.2 to 2.3±1.1 dyn.cm-2). To study the shear stress-induced cellular responses during exposure times ranging from 5 minutes to 24 hours we have developed two dynamic cell culture models adapted to the human syncytiotrophoblast. We found no evidence of decreased cell viability or early processes of apoptosis in dynamic conditions (1 dyn.cm-2, 24h) compared to static conditions. Shear stress (1 dyn.cm-2) triggers intracellular calcium flux, which increases the synthesis and release of PGE2. The enhanced intracellular cAMP in FSS conditions was blocked by COX1/COX2 inhibitors, suggesting that the increase in PGE2 production could activate the cAMP/PKA pathway in an autocrine/paracrine fashion. FSS activates the cAMP/PKA pathway leading to upregulation of PlGF in human STB. Shear stress-induced phosphorylation of CREB and upregulation of PlGF were prevented by inhibition of PKA with H89 (3 μM). The syncytiotrophoblast of the human placenta is a mechanosenstive tissue.