Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Antimicrobial resistance is one of the major problems faced by the medical industry today. The ability of bacteria to rapidly acquire resistance against antibiotics and the over prescription and inappropriate use of antibiotics further exacerbate this crisis. Few new antimicrobials are, however, making it through the drug discovery pipeline. The search and development of novel and effective antimicrobials is therefore of the utmost importance. Lantibiotics are ribosomally synthesized cationic antimicrobial peptides with extensive post-translational modifications. They are active against a wide range of Gram-positive bacteria, including antibiotic-resistant strains. They are characterized by the presence of lanthionine and methyllanthionine rings and have been suggested as alternatives or for use in conjunction with antibiotics against resistant pathogens. Staphylococcus aureus is the most common bacteria isolated from skin and soft tissue infections (SSTIs). Strains of S. aureus have emerged with resistance against antibiotics with the most common being methicillin-resistant S. aureus (MRSA). Several lantibiotics are active against MRSA in vivo and have even shown superior activity to traditional antibiotics. Lantibiotics therefore show much promise for the treatment of SSTIs caused by resistant- and non-resistant S. aureus. In this study the bacterially diverse soil of the Fynbos in the Western Cape was screened for novel antimicrobials. Two antimicrobial producing Bacillus strains were isolated, Bacillus clausii AD1 and Bacillus amyloliquefaciens AD2. Both of these strains produce lantibiotics with B. clausii AD1 producing a known lantibiotic, clausin. B. amyloliquefaciens AD2 produces a novel two-component lantibiotic which was designated amyloliquecidin. The lantibiotic operon of amyloliquecidin was sequenced and annotated. All the genes required for successful production of amyloliquecidin are present in the operon. Amyloliquecidin was characterized in vitro and along with clausin is active against clinical strains of S. aureus (including MRSA), Enterococcus spp., Listeria spp. and beta-haemolytic streptococci. Amyloliquecidin has remarkable stability at physiological pH compared to nisin and clausin. A comparative in vivo murine infection model was used to evaluate the effectiveness of amyloliquecidin, nisin, clausin and Bactroban (commercial S. aureus topical treatment) in treating wound infections caused by S. aureus. All the lantibiotics proved to be just as effective as the Bactroban treatment. Furthermore, the tested lantibiotics did not have a negative influence on the wound closure rates of infected and non-infected wounds. Bactroban had a negative effect on wound healing compared to the lantibiotics. To our knowledge amyloliquecidin is the third two-component lantibiotic isolated from Bacillus. This study represents the first to test the effectiveness of amyloliquecidin in vivo and is one of a handful to test lantibiotics as topical treatments. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Antimikrobiese weerstandbiedende bakterieë is op die oomblik een van die grootste probleme in die mediese veld. Die antibiotika krisis word vererg deur die vermoë van bakterieë om vinnig weerstand op te bou teen antibiotika, asook die alledaagse misbruik van antibiotika. Daar is ook ʼn tekort in die hoeveelheid antibiotika wat na die finale fases van ontwikkeling gaan. Om die oorhand teen antibiotika-weerstandige bakterieë te kry is dit van uiterste belang dat meer effektiewe antibiotika ontdek word. Lantibiotika is kationiese antimikrobiese peptiede wat deur die ribosoom gesintetiseer word en bevat ʼn verskeidenheid van modifikasies wat na translasie ingebou word. Hulle word gekarakteriseer deur lanthionien en metiellanthionien ringe. Lantibiotika is aktief teen ʼn verskeidenheid Gram-positiewe bakterieë en kan in kombinasie met antibiotika, of as alternatief gebruik word. Staphylococcus aureus is die mees algemene bakterium wat geassosieer word met vel en sagte weefsel infeksies (VSWIs). Staphylococcus aureus met weerstand teen antibiotika is ook al geïsoleer, die mees algemene weerstandige ras is methisillien-weerstandige S. aureus (MWSA). Lantibiotika is wel aktief teen MWSA in vitro en in vivo, met van hulle wat tot beter aktiwiteit as die voorgeskrewe antibiotika het. Lantibiotika kan dus gebruik word as behandeling vir VSWIs wat veroorsaak word deur weerstandige S. aureus, asook teen nie-weerstandige rasse. In hierdie studie was die bakteriese diverse grond van die Fynbos in die Wes-kaap ondersoek vir bakterieë wat antimikrobiese middels produseer. Twee Bacillus rasse, Bacillus clausii AD1 en Bacillus amyloliquefaciens AD2, wat antimikrobiese middels produseer, is geïsoleer. Bacillus clausii AD1 produseer ʼn bekende lantibiotikum, naamlik clausin. Bacillus amyloliquefaciens AD2 produseer ʼn nuwe twee-komponent lantibiotikum, amyloliquecidin. Die lantibiotikum operon wat verantwoordelik is vir die produksie van amyloliquecidin is geïdentifiseer en geannoteer. Die operon bevat al die gene benodig vir die biosintese van amyloliquecidin. Amyloliquecidin is in vitro gekarakteriseer en het aktiwiteit teen ʼn verskeidenheid Gram-positiewe bakterieë. Amyloliquecidin en clausin is aktief teen S. aureus (insluitend MWSA), Enterococcus spp., Listeria spp. en beta-hemolitiese streptococci wat vanaf infeksies geïsoleer is. Amyloliquecidin is baie stabiel by filologiese pH en aansienlik meer stabiel as nisin en clausin. Die effektiwiteit van nisin, clausin en amyloliquecidin in die behandeling van muis vel infeksies veroorsaak deur S. aureus was vergelyk met die kommersiële behandeling Bactroban. Al drie lantibiotika het die verspreiding van S. aureus met die selfde effektiwiteit as Bactroban belemmer. Geen van die lantibiotika het ʼn negatiewe effek op wond genesing nie. Bactroban, inteendeel, belemmer wond genesing. So ver ons weet is amyloliquecidin die derde twee-komponent lantibiotikum wat uit Bacillus geïsoleer is. Die studie is ook die eerste om die effektiwiteit van amyloliquecidin in vivo te rapporteer, asook ook een van die min studies wat kyk na lantibiotika as behandeling vir topikale infeksies.

Cette thèse traite de l’architecture d’un stimulateur électrique multi applications implantable intégrant la mesure d’impédance du système électrode/tissu. Une large part du travail a concerné l’optimisation de la forme des stimuli générés par le circuit pour minimiser la consommation énergétique, garantir la forme d’onde des stimuli vue par les tissus et améliorer les analyses d’expériences fonctionnelles. En effet, l’interfaçage du stimulateur et des électrodes avec le milieu in vivo génère des contraintes sur la délivrance des stimuli électriques. Les stimuli délivrés par le générateur s’ils sont non adaptés à l’impédance du système électrode milieu environnant sont déformés par filtrage ou saturation.Une modélisation numérique du système électrode-milieu environnant a permis de mettre en évidence que ces différentes contraintes sont adressables si l’on utilise les informations données par la spectroscopie d’impédance. Une méthode basée sur une mesure d’impédance,suivie d’une identification sur un circuit électrique équivalent a été proposée ; elle permet d’estimer les contributions de l’interface électrode/milieu et du milieu. Ces fonctions de transfert sont ensuite utilisées pour la génération des stimuli électriques afin de garantir la forme d’onde définie par l’expérimentateur, au niveau des cibles de la stimulation. La preuve de concept de cette méthode a été faite en trois étapes : avec des composants électroniques équivalents, en milieu salin, puis en milieu in-vivo allant jusqu’à des tests fonctionnels permettant de démontrer l’intérêt d’une telle méthode.Ce travail s’est terminé par la proposition, la spécification haut-niveau et la simulation d’une architecture intégrée multi-applications innovante, basée sur le traitement des données d’impédance afin d’adapter la stimulation. / This thesis involves the research, design, developement and assessment of a novelelectrostimulation device capable of taking into account, and compensate for, the distorsion ofthe therapeutic signal due to the presence of the electrode-electrolyte interface, thus ensuringthat the desired signal waveform is in fact transmitted to the targeted tissues. This should resultin more effective and energy-efficient stimulation and also enable fundamental research on theeffects of signal waveforms on excitable tissue stimulation.The modelling of the electrode-tissu system enabled the demonstration that the electricalstimuli distorsion, due to frequential filtering or stimulator saturation, can be avoided by usingdatas extracted from a prior impedance spectroscopy. An equivalent electrical circuit is used tofit those data enabling the separation of electrode-electrolyte interface and tissu components.Based on the equivalent circuit, a transfer function is then defined and used in order to ensurethe delivery of the user defined waveform to the stimulation targets. A proof of concept hasbeen achieved with three steps : first on electronical components representing an in vivoimpedance, then into a saline solution and finally into an actual animal for in vivo validation.Those tests leaded to functionnal experiments prooving the interest of this novel method.The work is concluded by the specification and the simulation of an innovative multiapplicationsintegrated architecture using impedance data in order to adapt stimuli waveforms.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.

L’agrégation érythrocytaire est le principal facteur responsable des propriétés non newtoniennes sanguines pour des conditions d’écoulement à faible cisaillement. Lorsque les globules rouges s’agrègent, ils forment des rouleaux et des structures tridimensionnelles enchevêtrées qui font passer la viscosité sanguine de quelques mPa.s à une centaine de mPa.s. Cette organisation microstructurale érythrocytaire est maintenue par des liens inter-globulaires de faible énergie, lesquels sont brisés par une augmentation du cisaillement. Ces propriétés macroscopiques sont bien connues. Toutefois, les liens étiologiques entre ces propriétés rhéologiques générales et leurs effets pathophysiologiques demeurent difficiles à évaluer in vivo puisque les propriétés sanguines sont dynamiques et fortement tributaires des conditions d’écoulement. Ainsi, à partir de propriétés rhéologiques mesurées in vitro dans des conditions contrôlées, il devient difficile d’extrapoler leurs valeurs dans un environnement physiologique. Or, les thrombophlébites se développent systématiquement en des loci particuliers du système cardiovasculaire. D’autre part, plusieurs études cliniques ont établi que des conditions hémorhéologiques perturbées constituent des facteurs de risque de thrombose veineuse mais leurs contributions étiologiques demeurent hypothétiques ou corrélatives. En conséquence, un outil de caractérisation hémorhéologique applicable in vivo et in situ devrait permettre de mieux cerner et comprendre ces implications. Les ultrasons, qui se propagent dans les tissus biologiques, sont sensibles à l’agrégation érythrocytaire. De nature non invasive, l’imagerie ultrasonore permet de caractériser in vivo et in situ la microstructure sanguine dans des conditions d’écoulements physiologiques. Les signaux ultrasonores rétrodiffusés portent une information sur la microstructure sanguine reflétant directement les perturbations hémorhéologiques locales. Une cartographie in vivo de l’agrégation érythrocytaire, unique aux ultrasons, devrait permettre d’investiguer les implications étiologiques de l’hémorhéologie dans la maladie thrombotique vasculaire. Cette thèse complète une série de travaux effectués au Laboratoire de Biorhéologie et d’Ultrasonographie Médicale (LBUM) du centre de recherche du Centre hospitalier de l’Université de Montréal portant sur la rétrodiffusion ultrasonore érythrocytaire et menant à une application in vivo de la méthode. Elle se situe à la suite de travaux de modélisation qui ont mis en évidence la pertinence d’un modèle particulaire tenant compte de la densité des globules rouges, de la section de rétrodiffusion unitaire d’un globule et du facteur de structure. Ce modèle permet d’établir le lien entre la microstructure sanguine et le spectre fréquentiel du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Une approximation au second ordre en fréquence du facteur de structure est proposée dans ces travaux pour décrire la microstructure sanguine. Cette approche est tout d’abord présentée et validée dans un champ d’écoulement cisaillé homogène. Une extension de la méthode en 2D permet ensuite la cartographie des propriétés structurelles sanguines en écoulement tubulaire par des images paramétriques qui mettent en évidence le caractère temporel de l’agrégation et la sensibilité ultrasonore à ces phénomènes. Une extrapolation menant à une relation entre la taille des agrégats érythrocytaires et la viscosité sanguine permet l’établissement de cartes de viscosité locales. Enfin, il est démontré, à l’aide d’un modèle animal, qu’une augmentation subite de l’agrégation érythrocytaire provoque la formation d’un thrombus veineux. Le niveau d’agrégation, la présence du thrombus et les variations du débit ont été caractérisés, dans cette étude, par imagerie ultrasonore. Nos résultats suggèrent que des paramètres hémorhéologiques, préférablement mesurés in vivo et in situ, devraient faire partie du profil de risque thrombotique. / The aggregation of erythrocytes is the main determinant of blood non Newtonian behaviour under low shearing flow conditions. When red blood cells (RBCs) aggregate, they form « rouleaux » and complex tridimensional structures that increase blood viscosity from a few mPa.s to a hundred mPa.s. The reversible RBC aggregation phenomenon is attributed to weak adhesive links between erythrocytes that are readily broken by increasing flow shearing. Blood bulk rheological properties have been comprehensively studied. However, the in vivo physiological impacts of abnormal clustering of RBCs are more difficult to assess. Clinical studies have identified altered hemorheology as a risk factor for thrombosis, but a clear etiological relationship between abnormal aggregation and thrombosis has not yet been established, in part because clinical conclusions were derived from correlative findings. It is to note that cardiovascular diseases such as deep venous thrombosis generally occur at specific locations within the vascular bed, suggesting a hemodynamic contribution to the development of this disease. Consequently, it is postulated that in vivo hemorheological characterization may help shed some light on the role of RBC hyper-aggregation on cardiovascular disorders. Ultrasound imaging, a non-invasive method relying on the propagation of mechanical waves within biological tissues, is sensitive to RBC aggregation. Indeed, the study of backscattered waves allows characterizing blood microstructure in vivo and in situ under physiological flow conditions. The work described in this thesis is based on prior simulation studies, performed at the Laboratory of Biorheology and Medical Ultrasonics of the University of Montreal Hospital Research Center, in which the backscattering of ultrasound from aggregating RBCs was modeled by considering a particle scattering strategy. In this approach, each RBC is a weak ultrasound scatterer (Born assumption) and the backscattering coefficient is modeled as the product of the RBC number density, the RBC backscattering cross section and a structure factor. This model relates variations in the backscattering coefficient to the RBC spatial organisation through the structure factor, which is the only parameter that changes during the aggregation process. A second order expansion in frequency of the structure factor was used to describe blood microstructure in terms of a packing factor W and an ensemble averaged aggregate diameter D. The model was first presented and validated by considering a homogenous shear flow condition using three broadband mono-element transducers. It was then extended in 2D to allow computation of parametric images in tube flow. An extrapolation based on the assumption that viscosity is related to the level of aggregation was used to compute local viscosity maps. Finally, a last contribution was the demonstration that a sudden increase in aggregation tendency directly promoted the formation of venous thrombosis in an experimental animal model. In that study, RBC aggregation, thrombus formation and flow variations were monitored longitudinally for two weeks using ultrasound. The results reported in this thesis suggest that rheological parameters on RBC clustering, ideally assessed in vivo and in situ, should be included in thrombosis risk profiling.