L’anémie falciforme est une maladie monogénique causée par une mutation dans le locus de la β-globine. Malgré le fait que l’anémie falciforme soit une maladie monogénique, cette maladie présente une grande hétérogénéité clinique. On présume que des facteurs environnementaux et génétiques contribuent à cette hétérogénéité. Il a été observé qu’un haut taux d’hémoglobine fœtale (HbF) diminuait la sévérité et la mortalité des patients atteints de l’anémie falciforme. Le but de mon projet était d’identifier des variations génétiques modifiant la sévérité clinique de l’anémie falciforme. Dans un premier temps, nous avons effectué la cartographie-fine de trois régions précédemment associées avec le taux d’hémoglobine fœtale. Nous avons ensuite effectué des études d’association pan-génomiques avec deux complications cliniques de l’anémie falciforme ainsi qu’avec le taux d’hémoglobine fœtale. Hormis les régions déjà identifiées comme étant associées au taux d’hémoglobine fœtale, aucun locus n’a atteint le niveau significatif de la puce de génotypage. Pour identifier des groupes de gènes modérément associés au taux d’hémoglobine fœtale qui seraient impliqués dans de mêmes voies biologiques, nous avons effectué une étude des processus biologiques. Finalement, nous avons effectué l’analyse de 19 exomes de patients Jamaïcains ayant des complications cliniques mineures de l’anémie falciforme. Compte tenu de la taille des cohortes de réplication disponibles, nous n’avons pas les moyens de valider statistiquement les variations identifiées par notre étude. Cependant, nos résultats fournissent de bons gènes candidats pour des études fonctionnelles et pour les réplications futures. Nos résultats suggèrent aussi que le β-hydroxybutyrate en concentration endogène pourraient influencer le taux d’hémoglobine fœtale. De plus, nous montrons que la cartographie-fine des régions associées par des études pan-génomiques peut identifier des signaux d’association additionnels et augmenter la variation héritable expliquée par cette région. / Sickle cell disease is a monogenic disease caused by a mutation in the β-globin locus. Although it is a monogenic disease, it shows a high clinical heterogeneity. Environmental and genetic factors are thought to play a role in this heterogeneity. It has been observed that a high fetal hemoglobin (HbF) levels correlates with a diminution of the severity and mortality of patients with sickle cell disease. The goal of my project was to identify genetic modifiers of the clinical severity of sickle cell disease. First, I performed the fine-mapping of three regions previously associated with HbF levels. Second, I performed genome-wide association studies with two clinical complications of sickle cell disease as well as with HbF levels. Since no new loci reached array-wide significance for HbF levels, I performed a pathway analysis to identify additional HbF loci of smaller effect size that might implicate shared biological processes. Finally, I performed the analysis of 19 whole exomes from Jamaican sickle cell disease patients with very mild complications. In conclusion, given the sample size of the replication cohorts available, we do not currently have the means to statistically validate the association signals. However, these results provide good candidate genes for functional studies and for future replication. Our results also suggest that β-hydroxybutyrate in endogenous levels could influence HbF levels. Furthermore, we show that fine-mapping the loci associated in genome-wide association studies can identify additional signals and increase the explained heritable variation.

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.

Parmi les disciplines représentatives de la biostructure, la cryomicroscopie électronique permet, au travers de techniques adaptées, d'atteindre de hautes résolutions. Mon travail a porté sur l'étude d'une catégorie de molécules, les particules isolées à faible degré de symétrie et entre autres sur les pigments respiratoires extracellulaires tels que les hémocyanines de céphalopodes (Vampyroteuthis infernalis, Benthoctopus species, Sepia officinalis) et une hémoglobine d'annélide (Lumbricus terrestris). Une approche empirique a été retenue, et nous a permis de différencier les informations techniques et les données biologiques. Le premier but, basé sur l'utilisation d'un matériel biologique connu, était de travailler sur les techniques d'observation de l'échantillon, d'analyse des images, de reconstruction et de correction des structures. Le deuxième but était d'apporter des réponses de type biologique, par le biais de ces améliorations techniques. Le début de ma thèse fut lié à l'utilisation d'un microscope équipé d'un cristal de LaB6, ne permettant pas de descendre significativement sous la barre des 20 Å. Néanmoins, il nous a permis de répondre à une question de type phylogénétique (Benthoctopus species et Vampyroteuthis infernalis appartiennent à des ordres frères), et de démontrer l'importance du type de microscope et de la source électronique associée. Naturellement, l'étape suivante fut d'accéder à un microscope équipé d'un canon à émission de champ. L'accès sporadique et sur de courtes périodes à ce type de microscope, dont les premiers exemplaires sont arrivés en France en 2000, ne m'ont pas permis de tester systématiquement tous les modes d'utilisation. Malgré tout, les résultats que nous avons obtenu ont validé les avantages de l'émission de champ. Certes, la barre des 6-7 Å de résolution, donnant partiellement accès aux informations relatives à la structure secondaire des protéines, n'a pas encore été atteinte, mais il apparaît que les progrès que nous avons effectués tendent vers cette valeur. Cette progression repose en partie sur l'amélioration des méthodes de collecte des images, de reconstruction et de correction de la fonction de transfert de contraste.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Les transfusions sanguines sont fréquemment employées pour corriger l’anémie secondaire à une arthroplastie de la hanche ou du genou. Il n’y a cependant pas consensus sur les indications de transfuser. La tendance actuelle est d’utiliser une stratégie transfusionnelle restrictive (soit un seuil de 75-80 g/L d’hémoglobine) mais les conséquences d’une telle pratique sur la récupération fonctionnelle et la qualité de vie des patients sont mal connues. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la pratique transfusionnelle au Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Notre hypothèse était que, devant l’imprécision des recommandations, la pratique transfusionnelle serait variable. Une étude rétrospective de 701 dossiers de patients ayant subi une arthroplastie de la hanche ou du genou a été réalisée. Nous avons observé que les transfusions étaient utilisées de la même façon dans les trois hôpitaux et que les médecins basaient leur décision de transfuser principalement sur un seul chiffre, la concentration d’hémoglobine, adoptant une stratégie restrictive. Soixante-six pourcent des patients avaient une concentration d’hémoglobine inférieure à 100 g/L au départ de l’hôpital. Dans un deuxième temps, nous avons évalué l’impact de cette anémie postopératoire sur la récupération fonctionnelle et la qualité de vie des patients. Notre hypothèse était qu’il existe une concentration d’hémoglobine en dessous de laquelle celles-ci sont atteintes. Une étude de cohorte prospective et observationnelle a été menée chez 305 patients regroupés selon leur concentration d’hémoglobine postopératoire. Les groupes d’hémoglobine (≤ 80, 81-90, 91-100 et > 100 g/L) étaient similaires dans l’évolution de la distance de marche en six minutes, de l’évaluation de l’effort fourni, de la force de préhension et des scores de qualité de vie. L’anémie modérée n’est donc pas associée à une atteinte de la récupération fonctionnelle et de la qualité de vie à court terme. D’autres études devront déterminer les conséquences à long terme d’une stratégie transfusionnelle restrictive sur ces patients. / Red blood cell transfusions are frequently used to treat anemia after total hip or knee arthroplasties. The indications for transfusions remain unclear despite published guidelines. Clinicians have adopted a restrictive transfusion threshold (75-80 g/L) but the consequences of such a strategy on functional outcome and quality of life are not known. First, we characterized the transfusion practice inside the Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Our hypothesis was that transfusion practice varies inside the CHUM due to uncertainty. A retrospective study of 701 charts of patients operated for a hip or knee arthroplasty was conducted. We observed that there was no difference among hospitals regarding the way transfusions are used and that physicians mainly based their decision to transfuse on a single variable, the hemoglobin concentration, adopting a restrictive transfusion strategy. Sixty-six percent of patients had a hemoglobin concentration under 100 g/L after surgery. Second, we evaluated the impact of this postoperative anemia on functional outcome and quality of life. We hypothesized that a threshold hemoglobin concentration exists below which these become impaired. A prospective, observational cohort study was conducted in 305 patients categorized in groups according to their postoperative hemoglobin concentration. Hemoglobin groups (≤ 80, 81-90, 91-100 and > 100 g/L) were similar in the evolution of the distance walked in six minutes, perception of effort, maximal dominant hand strength and quality of life scores. Thus, moderate anemia is not associated with an impaired functional recovery or quality of life early after hip and knee arthroplasties. Further studies will be required to determine the long-term consequences of a restrictive transfusion strategy in these patients.

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

La drépanocytose est une maladie causée par une seule mutation dans le gène de la bêta-globine. Les complications liées à la maladie se manifestent sur le plan génétique, épigénique, transcriptionnel, et métabolique. Les approches intégratives des technologies de séquençage à haut-débit permettent de comprendre le mécanisme pathologique et de découvrir des thérapies en lien avec la maladie. Dans cette thèse, j’intègre divers jeux de données omiques et j’applique des méthodes statistiques pour élaborer de nouvelles hypothèses et analyser les données. Dans les deux premières études, je combine les résultats des études d'association pangénomique d'hémoglobine fœtale (HbF) et des globules rouges denses déshydratés (DRBC) avec l'expression génique, l'interaction chromatinienne, les bases de données relatives aux maladies et les cibles médicamenteuses sélectionnées par des experts. Cette approche intégrative a révélé trois nouveaux loci sur le chromosome 10 (BICC1), le chromosome 19 (KLF1) et le chromosome 22 (CECR2) comme régulateurs de l'HbF. Pour l’étude sur la densité de globules rouges, quatre cibles médicamenteuses (BCL6, LRRC32, KNCJ14 et LETM1) ont été identifiées comme des modulateurs potentiels de la sévérité. Dans la troisième étude, j’intégre la métabolomique à la génomique pour établir une relation causale entre la L-glutamine et les crises douleurs en utilisant la randomisation mendélienne. En outre, nous avons identifié 66 biomarqueurs pour 6 complications liées à la drépanocytose et le débit de filtration glomérulaire estimé (DFGe). Enfin, dans la dernière étude j’ai appliqué une approche de clustering aux métabolites que j’ai ensuite combiné aux données de génotype. J’ai découvert des changements métabolomiques mettant en évidence des familles de métabolites impliqués dans les dysfonctionnements rénaux et hépatiques, en plus de confirmer le rôle d'une classe d'acides gras dans la formation en faucille des globules rouges. Ce travail met en évidence l'importance des approches multi-omiques pour découvrir de nouveaux mécanismes biologiques et étudier les maladies humaines. / Sickle cell disease is a monogenic disorder caused by a point mutation in the beta-globin gene. The complications related to the disease are characterized by a broad spectrum of distinct genetic, epigenetic, transcriptional, and metabolomic states. Integrative high-throughput technologies approaches to sickle cell disease pathophysiology are crucial to understanding complications mechanisms and uncovering therapeutic interventions. In this thesis, I integrate various omics datasets and apply statistical methods to derive new hypotheses and analyze data. I combine genome-wide association studies results of fetal hemoglobin (HbF) and dehydrated dense red blood cells (DRBC) with gene expression, chromatin interaction, disease-relevant databases, and expert-curated drug targets. This integrative approach revealed three novel loci on chromosome 10 (BICC1), chromosome 19 (KLF1) and chromosome 22 (CECR2) as key modulators of HbF. For DRBC, four drug targets (BCL6, LRRC32, KNCJ14, and LETM1) were identified as potential severity modifiers. Using mendelian randomization, I integrated metabolomics with genomics in the third study to establish a potential causal relationship between L-glutamine and painful crisis. Additionally, we identified 66 biomarkers for 6 SCD-related complications and estimated glomerular filtration rate (eGFR). Finally, the last study applied a clustering framework to metabolites which I then combined with genotypes. I found specific metabolomics changes highlighting families of metabolites involved in renal and liver dysfunction and confirming the role of a class of fatty acids in red blood cell sickling. This work highlights the importance of multi-omics approaches to unearth new biology and study human diseases.

Le système rénine-angiotensine-aldostérone est impliqué dans la physiopathologie de l’insuffisance cardiaque (IC). L’inhibition de l’aldostérone par les antagonistes du récepteur aux minéralocorticoïdes (ARM), la spironolactone et l’éplérénone, est associée à une réduction de morbidité et mortalité. Or, la spironolactone est un antagoniste non sélectif, avec des effets hors-cibles sur d’autres récepteurs stéroïdiens. Des données suggèrent qu’elle pourrait avoir un effet défavorable sur l’homéostasie du glucose, avec une augmentation en hémoglobine glyquée (HbA1c), un marqueur de contrôle du glucose à long terme. Au contraire, l’éplérénone semble exercer un effet neutre. Les objectifs de cette thèse de doctorat sont les suivants : 1) Assembler toutes les connaissances dans la littérature au sujet de l’effet glycémique des ARM; 2) Évaluer le risque de développement de diabète avec la spironolactone chez les patients IC; 3) Analyser si la spironolactone peut moduler l’effet glycémique d’autres médicaments utilisés en IC; 4) Comparer la spironolactone à l’éplérénone sur des marqueurs de glucose chez les patients IC avec dérèglements glycémiques. Quatre projets ont été effectués afin de répondre à ces questions. Premièrement, une revue systématique a permis d’identifier toutes les études publiées contenant de l’information sur l’effet glycémique des ARM. Les résultats étaient hétérogènes, mais ont suggéré que l’effet est dépendant de la pathologie et serait potentiellement néfaste dans les maladies à haut risque d’évènements cardiovasculaires. Une méta-analyse d’études en diabète indique que l’effet à long terme serait non significatif. Le deuxième projet utilise une cohorte de patients IC de bases de données administratives entre 1995 et 2009 (suivi jusqu’en 2010). Nous n’avons pas détecté d’association significative entre l’utilisation de la spironolactone et le risque de diabète. Par contre, l’étude a démontré qu’un âge plus jeune, la digoxine, et les corticostéroïdes augmentent le risque de diabète. Le troisième projet est une sous-étude d’une étude clinique CANDIID-II (Effect of ACE inhibitor alone versus ACE inhibitor plus high dose candesartan on BNP, immune markers, inflammatory status, and urinary kinins in patients with symptomatic left ventricular systolic dysfunction) chez des patients IC traités avec un inhibiteur de l’enzyme de conversion à l’angiotensine et le candésartan, antagoniste du récepteur à l’angiotensine II. Ces classes pharmacologiques ont des effets bénéfiques sur la glycémie. En comparant les patients traités aussi avec la spironolactone versus les patients sans ARM, nous n’avons pas trouvé que la spironolactone module l’effet bénéfique du candésartan sur le métabolisme du glucose. Le dernier projet consiste d’une étude prospective, multicentrique, randomisée, contrôlée à double-insu : SNOW (A comparison of the effects of selective and non selective mineralocorticoid antagonism on glucose homeostasis and lipid profile of heart failure patients with glucose intolerance or type 2 diabetes). Elle compare, pendant 16 semaines, la spironolactone à l’éplérénone sur des marqueurs glycémiques, notamment, l’HbA1c, chez 62 patients IC avec diabète de type II ou intolérance au glucose. Aucune différence significative n’a été observée entre les groupes. En résumé, les résultats de cette thèse indiquent que les ARM ne présentent pas de risque de détérioration du contrôle du glucose sur une durée modérée à longue en IC. / The renin-angiotensin-aldosterone system is involved in the pathophysiology of heart failure (HF). The inhibition of aldosterone by mineralocorticoid receptor antagonists (MRAs), spironolactone and eplerenone, is associated with a reduction in morbidity and mortality. However, spironolactone is a non selective antagonist, with off-target effects on other steroid receptors. There is some evidence suggesting that it may have an unfavorable effect on glucose homeostasis, with an increase in glycated hemoglobin (HbA1c), a marker of long-term glucose control. On the contrary, eplerenone seems to exert a neutral effect. The objectives of this doctoral thesis were the following: 1) Compile all current knowledge in the literature on the subject of MRAs’ glycemic effects; 2) Evaluate the risk of developing diabetes with spironolactone in HF patients; 3) Analyze if spironolactone may modulate the glycemic effects of other medications used in HF; 4) Compare spironolactone to eplerenone on markers of glucose control in HF patients with glycemic disorders. Four projects were conducted in order to meet these objectives. Firstly, a systematic review allowed us to identify all published studies containing information on MRAs’ glycemic effects. The literature search yielded heterogenous results; however, it suggested that the effect was disease-specific and would be potentially harmful in diseases with a high risk of cardiovascular events. A meta-analysis of studies in diabetes insinuated that the effect is non significant on a long-term basis. The second project uses a cohort of HF patients from administrative databases between 1995 and 2009 (follow-up till 2010). We did not detect a significant association between the use of spironolactone and the risk of diabetes. On the other hand, the study demonstrated that younger age, digoxin, and corticosteroids increase the risk of diabetes. The third project is a substudy of a clinical trial CANDIID-II (Effect of ACE inhibitor alone versus ACE inhibitor plus high dose candesartan on BNP, immune markers, inflammatory status, and urinary kinins in patients with symptomatic left ventricular systolic dysfunction) among HF patients treated with an angiotensin converting enzyme inhibitor and candesartan, an angiotensin II receptor blocker. These pharmacological classes have beneficial effects on glycemia. By comparing patients also treated with spironolactone versus patients without an MRA, we did not find that spironolactone alters the effect of candesartan on glucose metabolism. The last project consisted of a prospective, multicenter, randomized, controlled, double-blind trial: SNOW (A comparison of the effects of selective and non selective mineralocorticoid antagonism on glucose homeostasis and lipid profile of heart failure patients with glucose intolerance or type 2 diabetes). It compares, for 16 weeks, spironolactone to eplerenone on glycemic markers, notably, HbA1c, among 62 HF patients with type II diabetes or glucose intolerance. There was no significant difference between groups. In summary, the research results from this thesis reveal that, in HF, MRAs do not present additional risks of deterioration in glucose control over a moderate to long period.

Ce mémoire est séparé en deux volets, tous deux axés sur la spectroscopie proche infra-rouge (NIRS) pour la quantification des paramètres hémodynamiques. La NIRS est principalement basée sur la mesure des coefficients d'absorption (μa) et de dispersion (μs’) des tissus afin de retrouver les concentrations d'oxy- et de déoxyhémoglobine dans le sang. L'imagerie à l'aide de la NIRS est basée sur le parcours des photons à travers le tissu biologique à différentes longueurs d'onde du spectre proche infra-rouge. Le premier appareil de NIRS dont il sera question est un appareil de spectroscopie résolue dans le temps. Ce type de système retrouve des concentrations absolues d'hémoglobine à l'aide d'un bandeau placé sur la peau d’un sujet, dans ce cas-ci sur le front. Le modèle d’analyse des données permet la séparation des contributions extra-cérébrales et cérébrales aux données. Cette méthode fournit des données plus exactes sur la saturation en oxygène du cerveau, par rapport à un modèle homogène où le signal est contaminé par les couches superficielles. Une étude sur les changements hémodynamiques cérébraux de jeunes adultes pendant une activité physique a été réalisée, et l’article en détaillant les résultats est transcrit au chapitre 2. Le chapitre 3 comprend un retour sur cette étude et aborde les possibilités de travaux futurs. La seconde partie de mes travaux s’est déroulée sous forme de stage en entreprise durant l’été 2016. Sous la supervision de Dennis Hueber, Ph. D., et Beniamino Barbieri, Ph. D., j’ai effectué des recherches portant sur un appareil de NIRS manufacturé par la compagnie ISS Inc. et dont un prototype se trouve actuellement dans le laboratoire de mon superviseur Mathieu Dehaes, Ph. D. Cet appareil combine deux modalités d’imagerie optique, soit la NIRS dans le domaine des fréquences et la spectroscopie de corrélation diffuse. Le chapitre 4 détaille les tâches que j’ai réalisées durant ce temps, de même que les résultats des analyses que j’ai effectuées. / This master’s thesis is separated in two phases, both focused on near infrared spectroscopy for the quantification of hemodynamic parameters. NIRS is based on the measure of absorption (μa) and scattering (μs’) coefficients of tissues in order to recover the oxy- and deoxyhemoglobin concentrations in the blood. Its results are based on the photon propagation in tissue at different near-infrared wavelengths. The first NIRS system used during my studies is a time-resolved spectroscopy system. This device allowed us to retrieve absolute hemoglobin concentrations using a headband placed over the subject’s skin and centered on their forehead. The data analysis model which we used allowed us to separate extra-cerebral and cerebral contributions of the signal. This method yielded quantitative absolute measures of cerebral oxygen saturation as opposed to the traditional homogenous model where the signal is contaminated by superficial layers. A study on cerebral hemodynamic changes in young adults during exercise was conducted, and the published article detailing its results is transcribed in Chapter 2. Chapter 3 includes a review of this study and discusses potential future works. The second part of my research consisted in an industrial internship during the summer of 2016. Under the supervision of Dennis Hueber, Ph. D., and Beniamino Barbieri, Ph. D., I have worked on a NIRS device manufactured by ISS Inc., a prototype of which is currently in the laboratory of my supervisor Mathieu Dehaes, Ph. D. This device combines two NIRS modalities: frequency-domain NIRS and diffuse correlation spectroscopy. Chapter 4 details the work I have performed at ISS and the results of my research and analysis.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est désormais une modalité d’imagerie médicale fonctionnelle reconnue. L’une des applications les plus répandues de cette technique est celle de l’imagerie fonctionnelle cérébrale chez l’Homme. En effet, cette technique présente de nombreux avantages, notamment grâce à la richesse des contrastes optiques accessibles. Néanmoins, certains verrous subsistent et freinent le développement de son utilisation, spécialement pour des applications chez l’Homme adulte en clinique ou dans des conditions particulières comme lors du suivi de l’activité sportive. En effet, le signal optique mesuré contient des informations venant de différentes profondeurs de la tête, et donc de différents types de tissus comme la peau ou le cerveau. Or, la réponse d’intérêt étant celle du cerveau, la réponse de la peau peut dégrader l’information recherchée. Dans ce contexte, ces travaux portent sur le développement d’un nouvel instrument de TOD permettant d’acquérir les dimensions spatiale, spectrale et de temps de vol du photon de façon simultanée, et ce à haute fréquence d’acquisition. Au cours de cette thèse, l’instrument a été développé et caractérisé sur fantôme optique. Ensuite, il a été validé in-vivo chez l’Homme adulte, notamment en détectant l’activité du cortex préfrontal en réponse à une tâche de calcul simple. Les informations multidimensionnelles acquises par notre système ont permis d’améliorer la séparation des contributions des différents tissus (Peau/Cerveau). Elles ont également permis de différencier la signature de la réponse physiologique de ces tissus, notamment en permettant de détecter les variations de concentration en Cytochrome-c-oxydase. Parallèlement à ce développement instrumental, des simulations Monte-Carlo de la propagation de la lumière dans un modèle anatomique de tête ont été effectuées. Ces simulations ont permis de mieux comprendre la propagation de la lumière dans les tissus en fonction de la longueur d’onde et de valider la pertinence de cette approche multidimensionnelle. Les perspectives de ces travaux de thèse se dirigent vers l’utilisation de cet instrument pour le suivi de la réponse du cerveau chez l’Homme adulte lors de différentes sollicitations comme des stimulations de TDCS, ou en réponse à une activité sportive. / The Diffuse Optical Tomography (DOT) is now a relevant tool for the functional medical imaging. One of the most widespread application of this technic is the imaging of the human brain function. Indeed, this technic has numerous advantages, especially the richness of the optical contrast accessible. Nevertheless, some drawbacks are curbing the use of the technic, especially for applications on adults in clinics or in particular environment like in the monitoring of sports activity. Indeed, the measured signal contains information coming from different depths of the head, so it contains different tissues types like skin and brain. Yet, the response of interest is the one of the brain, and the one of the skin is blurring it. In this context, this work is about the development of a new instrument of DOT capable of acquiring spatial and spectral information, as well as the arrival time of photons simultaneously and at a high acquisition speed. During the PhD thesis the instrument has been developed and characterised on optical phantoms. Then, it has been validated in-vivo on adults, especially by detecting the cortical activation of the prefrontal cortex, in response to a simple calculation task. Multidimensional information acquired by our system allowed us to better distinguish between superficial and deep layers. It also allowed us to distinguish between the physiological signature of those tissues, and especially to detect the variations of concentration in Cytochrom-c-oxydase. Concurrently to this experimental work, Monte-Carlo simulation of light propagation in a model off a human head has been done. Those simulations allowed us to better understand the light propagation in tissues as function as their wavelength, and to validate the relevance of our multidimensional approach. Perspectives of this work is to use the developed instrument to monitor the brain’s response of the Human adult to several solicitations like tDCS stimulation, or sports activity.