Les changements anatomiques des patients au cours du traitement de radiothérapie peuvent engendrer des conséquences dosimétriques significatives sur les volumes cibles (VC) ou les organes à risques (OARs). Le processus de radiothérapie adaptative peut compenser ces variations, cependant son déploiement en clinique est ralentit par une charge de travail supplémentaire considérable pour les équipes médicales et aucun logiciel n'est disponible pour une utilisation en clinique. Nous avons développé un outil d'alerte dosimétrique in vivo simple permettant d'identifier rapidement les situations où une adaptation de traitement est requise pour un patient. L'évaluation dosimétrique des traitements délivrés a été réalisée sur l'imagerie embarquée 3D (CBCT) dont la précision des calculs de dose a dû être évaluée. L'outil d'alerte permet de s'affranchir d'une nouvelle délinéation de volumes d'intérêt et est basé sur des critères objectifs et quantifiables constitués par le dépassement des limites dosimétriques définies pour chacun des volumes considérés. La précision et la détectabilité de l'outil ont été validées puis il a été appliqué dans une étude rétrospective de 10 patients ORL afin de surveiller l'administration du traitement et d'identifier les patients pour lesquels une adaptation du traitement aurait pu être envisagée. Dans son implémentation clinique, le processus de radiothérapie adaptative requiert des algorithmes de recalage déformable capable de suivre les déformations locales d'un patient se produisant au cours du traitement, seulement leur utilisation n'est pas encore validée. Nous avons procédé à l'évaluation de la précision d'un algorithme de recalage déformable, de type Block Matching présentant l'avantage d'être adapté à l'imagerie multimodale CT/CBCT, en comparaison par rapport à un algorithme de recalage rigide. Une étude a été menée pour 10 patients ORL en se basant sur la comparaison de contours de volumes d'intérêt pour 76 CBCT. Les paramètres de similarité utilisés consistaient en l'Indice de Similarité Dice, la distance de Hausdorff robuste (en mm) et la différence de volume absolu (en cm3).

L'imagerie spectroscopique (IS) par résonance magnétique nucléaire du cerveau permet d'identifier les biomarqueurs du métabolisme cérébral sain ou pathologique. A court TE, les métabolites ayant des couplages J forts et des temps de relaxation T2 courts peuvent être détectées. Le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale croît avec l'intensité du champ B0. Cependant, l'hétérogénéité des champs B0 et B1 ainsi que les erreurs associées au déplacement chimique augmentent avec B0. De bons profils de sélection sont obtenus avec le module de sélection du volume d'intérêt de type semi-LASER comparés à ceux obtenus avec des impulsions conventionnelles. De plus, cette séquence est mois sensible aux hétérogénéités du champ B1 et les erreurs liées au déplacement chimique sont moins importantes. La limitation la plus contraignante de la technique d'imagerie spectroscopique conventionnelle est probablement sa longue durée d'acquisition qui dépend de la résolution spatiale. L'imagerie spectroscopique spirale (ISS) en encodant simultanément l'information spatiale et spectrale réduit considérablement le temps d'acquisition minimum. Il devient ainsi possible d'acquérir des données supplémentaires telles qu'une dimension spatiale et/ou une deuxième dimension spectrale. Nous avons mis en place une technique d'imagerie spectroscopique spirale pour l'étude du cerveau humain. Le TE est de 17 ms dans le cas de sélection du volume d'intérêt avec le module PRESS utilisant des impulsions RF conventionnelles et de 32 ms dans le cas de semi-LASER. Ces modules de sélection ont été combinés avec des modules de saturation des signaux de l'eau et du volume externe adaptés. Nous avons développé les programmes de calcul de la trajectoire mesurée et de la reconstruction des données à deux dimensions spatiales et une dimension spectrale. Nous avons obtenu une bonne saturation des lipides extracrâniens. Nous avons obtenu de meilleurs profils et une nette réduction des erreurs associées au déplacement chimique avec le module semi-LASER comparé avec ceux obtenus avec le module PRESS. L'application de la trajectoire mesurée à la reconstruction des données réduit les artefacts associés aux imperfections du système de gradients. Sur les spectres acquis à un TE de 17 ms (PRESS) et de 32 ms (semi-LASER) nous avons quantifié significativement le NAA, la choline, la créatine et le myo-inositol. Nous avons démontré la faisabilité de l'acquisition de données d'imagerie spectroscopique spirale volumétrique à TE court chez l'homme à 3T en une durée compatible avec celle des examens cliniques. D'autres travaux doivent être réalisés afin d'optimiser la séquence semi-LASER pour la détection de métabolites fortement couplés, comme le glutamate et la glutamine.

Dans le domaine de la tomographie par rayons X préclinique, la tomographie spectrale est une voie de plus en plus en plus explorée. Les objectifs de la tomographie spectrale sont tant la caractérisation et la quantification des tissus et agents de contraste que l'amélioration de contraste entre tissus mous. Cela passe par l'exploitation de l'information spectrale (ou énergétique) des photons X et non plus seulement par la quantité de rayons X détectée comme en tomographie standard par absorption de rayons X. L'intérêt de la tomographie spectrale se trouve renforcé par l'arrivée des caméras à comptage comme le détecteur à pixels hybrides XPAD3 qui ont la capacité de sélectionner les photons X en fonction de leur énergie. Ce détecteur a été développé pour fonctionner dans le micro-tomodensitomètre PIXSCAN construit au CPPM. Dans ce contexte, cette thèse a deux buts~: participer à la construction du prototype PIXSCAN et y effectuer une preuve de concept de la tomographie spectrale. Le premier but est rempli grâce au développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN. Le second est atteint par l'implantation de la méthode de séparation de composantes dont le but est d'isoler les contributions photoélectrique, Compton et celles des agents de contraste. Ce travail débute par la caractérisation de cette méthode et se termine par sa démonstration sur données réelles acquises à l'aide du prototype PIXSCAN.

-------------------------------Abstract--------------------------------Since the prediction by Maria Göppert-Mayer in the thirties of the possibility for a fluorescent molecule to be simultaneously excited by multiple photons and, more recently, the development of pulsed lasers, multiphoton microscopy has gradually evolved to finally become one of the most used fluorescent imaging techniques for the studies of thick scattering tissues or for in vivo observations of animals. Either for neurological, physiological or morphological studies, the non invasiveness and the limitation of the excited volume to the focal volume have made this fluorescence microscopy technique an essential tool for biologists.However, in a world where the biological studies always require better microscopes and where there is always a need for the spatial resolution to be improved, it is essential to offer techniques allowing to obtain a better resolution in the three dimensions and to access resolution beyond the diffraction limit defined by Ernst Abbe more than a century ago. In this thesis, the saturated excitation of fluorescence technique is adapted to multiphoton microscopy. This method achieves super-resolved images by temporally modulating the excitation laser-intensity and by demodulating the higher harmonics from the saturated fluorescence signal. As a proof of principle, the improvement of the lateral and axial resolution has been measured on a sample of fluorescent microspheres. While the third harmonic already provides an enhanced resolution, we show in this work that a further improvement can be obtained with an appropriate linear combination of the demodulated harmonics.In the end, a near twofold improvement of the resolution has been obtained in the lateral but also in the axial directions. This improvement is in agreement with the estimated resolution improvement predicted in the theoretical and the mathematical analysis of the technique carried out in this work.We also present in vitro imaging of fluorescent microspheres incorporated in HeLa cells. Enhancements of lateral and axial resolution has been observed, showing that this super-resolution technique performs well in biological samples.Finally, the strengths and weaknesses of the technique have also been analysed and detailed to see in which niche in the world of biological imaging this method can find its place. To this end, its characteristics are compared to other super-resolution and super-localisation techniques that have been previously studied in this thesis.It points out that the imaging depth, the non invasiveness and the relatively low illumination power on the samples but also the limitation of the excited volume in multiphoton microscope coupled with the simple and cost-effective implementation as well as the relatively low illumination power on the sample used in the saturated excitation technique make this method an excellent candidate for deep in vivo studies trough scattering tissue like the skin. / -----------------------Résumé-----------------------Depuis la prédiction de Maria Göppert-Mayer dans les années 30 de la possibilité pour une molécule fluorescente d'être excitée simultanément par plusieurs photons et, plus récemment, depuis le développement des lasers pulsés, la microscopie multiphotonique s'est peu à peu développée pour finalement s'imposer aujourd'hui comme un des outils d'observation par fluorescence les plus performants pour les études de tissus épais diffusants, ou encore pour l'observation in vivo d'animaux. Que ce soit pour des études neurologiques, physiologiques ou morphologiques, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité au volume focal ont rendu cet outil de microscopie indispensable aux biologistes.Cependant, dans un monde où les études biologiques nécessitent toujours de meilleurs microscopes et où la résolution spatiale en particulier doit toujours être améliorée, il convient de proposer des techniques permettant d'obtenir une meilleure résolution dans les trois dimensions et d'aller au-delà de la limite de diffraction définie par Ernst Abbe il y a plus d'un siècle.Dans cette thèse, la technique de saturation de l'excitation de la fluorescence est adaptée à la microscopie multiphotonique. Cette méthode permet d'obtenir des images de superrésolution en modulant temporellement l'intensité laser d'excitation et en démodulant les harmoniques supérieures présentes dans le signal saturé de fluorescence. La démonstration de principe sur des microsphères fluorescentes a été réalisée montrant une amélioration de la résolution latérale et axiale. Alors que l'utilisation de la troisième harmonique produit déjà une meilleure résolution, ce travail de thèse montre qu'une amélioration supplémentaire peut être obtenue en utilisant une combinaison linéaire particulière des harmoniques démodulées.Au final, un quasi doublement de la résolution a pu être observé tant dans les directions latérales que dans la direction axiale. Cette amélioration correspond à l'amélioration prédite dans l'analyse théorique et mathématique réalisée également dans ce travail.De plus, le passage aux études in vitro a été réalisé avec succès en observant des microsphères fluorescentes incorporées dans des cellules HeLa. Des améliorations de la résolution latérale et axiale ont également été observées montrant que cette technique de superrésolution peut être appliquée à l'étude d'échantillons biologiques. Les forces et les faiblesses de cette méthode sont également analysées et détaillées afin de voir dans quel créneau d'études biologiques la technique de saturation de l'excitation de fluorescence pourrait se faire une place. A cette fin, ses caractéristiques sont comparées aux autres méthodes de superrésolution et de superlocalisation détaillées dans la première partie de ce travail.Il en resort que l'importante profondeur d'imagerie, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité de la microscopie multiphotonique couplés à la simplicité d'implémentation et les relativement faibles puissances utilisées pour saturer l'excitation font de cette technique un excellent candidat pour des études in vivo dans des zones en profondeur dans des milieux diffusants comme la peau. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les patients atteints de cécité cornéenne résultant d'une maladie ou d'une blessure dans de nombreux pays ne seront probablement pas transplantés avec des cornées de donneurs humains en raison d'une grave pénurie mondiale de tissus de donneurs. Cependant, même si des cornées de donneurs étaient disponibles, les patients présentant une inflammation ou une maladie grave ne seraient pas aidés car ils courent un risque élevé de rejet des cornées de donneurs car celles-ci contiennent des cellules allogéniques. Les implants cornéens sans cellules qui ne déclenchent pas de rejet ont été développés comme alternatives à la transplantation de donneurs humains par le laboratoire Griffith, et ont montré dans un premier essai clinique chez l'homme qu'ils régénèrent de manière stable le tissu et les nerfs cornéens. Ces implants comprenaient du collagène humain recombinant, la principale protéine structurelle trouvée dans la cornée humaine. Cependant, les collagènes de pleine longueur sont difficiles et coûteux à produire et ne peuvent pas être personnalisés. Une grande variété de peptides plus courts qui imitent le collagène et d'autres molécules de la matrice extracellulaire ont été développés et testés. Cela comprend les peptides hybrides combinant le collagène et la soie (VBsilk). Le but de ma thèse est de confirmer les simulations de VBsilk d'un peptide hybride collagène-soie produit au Griffith Lab. Un autre objectif est de déterminer les conditions de production et de purification pour montrer que le peptide simulé peut être converti en un peptide réel. En bref, l'ADN codant pour une séquence de VBsilk a été cloné dans ClearColi, une souche d'E. Coli à faible endotoxine. Les bactéries ont été cultivées dans des cultures à grand volume. Le VBsilk a été extrait et purifié par FPLC. SDS-PAGE a montré que des bandes de protéines de taille appropriée étaient obtenues. Par conséquent, il est possible de produire le peptide VBsilk. / Patients with cornea blindness resulting from disease or injury in many countries are unlikely to be transplanted with human donor corneas due a worldwide severe shortage of donor tissues. However, even if donor corneas were available, patients with inflammation or severe disease would not be helped as they are at a high risk of rejecting donor corneas as these contain allogeneic cells. Cell-free corneal implants that do not trigger rejection were developed as alternatives to human donor transplantation by the Griffith lab, and shown in a first-in-human clinical trial to stably regenerate corneal tissue and nerves. These implants comprised recombinant human collagen, the main structural protein found in the human cornea. However, full-length collagens are difficult and expensive to produce, and cannot be customized. A wide variety of shorter peptides that mimic collagen and other extracellular matrix molecules have been developed and tested. This includes hybrid peptides combining collagen and silk (VBsilk). The aim of my thesis is to is to confirm simulations of VBsilk, a hybrid collagen-silk peptide that was produced in the Griffith Lab. A further aim is to determine the conditions for the production and purification to show that simulated peptide can be converted into an actual peptide. Briefly, the DNA coding for a VBsilk sequence was cloned into ClearColi, a strain of E. coli with low endotoxin. The bacteria were grown up in large volume cultures. The VBsilk was extracted and purified by FPLC. SDS-PAGE showed that appropriate-sized bands of protein were obtained. Hence, it is possible to produce VBsilk peptide.

Les maladies cardiovasculaires sont souvent causées par des arythmies qui proviennent d'une obstruction du système de conduction cardiaque. L'intervenant clé de ce système est le nœud sinu-atrial (SA), qui est responsable de l’initiation de chaque battement cardiaque. L’activation électrique à intervalles réguliers, assurant que le rythme cardiaque est un rythme normal. Le dysfonctionnement du nœud SA entraînerait des instabilités électriques dans le cœur. Une maladie cardiaque acquise, comme la cardiopathie rhumatismale, ou un bloc de conduction ne sont que quelques-uns des nombreux cas qui nécessitent un stimulateur cardiaque électronique pour surveiller la fréquence cardiaque et générer une impulsion lorsqu'elle bat anormalement. Bien que le stimulateur cardiaque électrique soit considéré comme une thérapie fiable, il n'est pas sans limites. Ces limites comprennent les complications chirurgicales, l'infection au plomb ainsi que la durée de vie limitée de la batterie, qui doit être remplacée à intervalles de quelques années, ce qui alourdit le fardeau hospitalier. Plusieurs approches ont été adoptées pour développer une méthode thérapeutique plus adéquate. Une stratégie qui sera étudiée implique l'utilisation d'une greffe de cellules de stimulateur cardiaque, créant fondamentalement un stimulateur biologique. Les approches de thérapie cellulaire utilisent des cellules souches embryonnaires pour évoluer vers les lignées de cellules cardiaques, y compris les cellules stimulatrices cardiaques. Ces cellules de stimulation sont caractérisées par une dépolarisation spontanée qui crée les impulsions rythmiques dans le cœur et contrôle la fréquence cardiaque. Un élément important des cellules du stimulateur cardiaque qui donne lieu à la dépolarisation spontanée sont les canaux « hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated » qui sont activés pendant l’hyperpolarisation et conduisent le courant sous le nom de « funny current ». Ce courant augmente la perméabilité intérieure de la cellule aux courants de sodium et de potassium conduisant à la dépolarisation de la cellule. D'autre part, le taux de conduction est déterminé par la connexine 30.2 et la connexine 45, qui sont des protéines transmembranaires qui s’assemblent pour former des jonctions lacunaires. L'expression de HCN et l'expression de la connexine ont toutes deux étés liés au facteur T-box 3 (Tbx3) dans le développement des myocytes auriculaires. Une approche praticable pour moduler l'expression des gènes et par conséquent l'expression des protéines est l'utilisation du conditionnement chimique. Le Phorbol 12- myristate 13-acétate (PMA) est un activateur de Protéine Kinase C (PKC) lié à l'expression de Tbx3, et par conséquent à l'expression de HCN et de connexine, et entraînant une modification de l'activité spontanée. Les cellules souches embryonnaires de souris sont des cellules qui sont isolées de la masse cellulaire interne des embryons. Ces cellules ont la capacité de se différencier en tous les types de cellules somatiques. En combinant les facteurs de croissance, ces cellules peuvent se différencier en cardiomyocytes. Nous émettons l'hypothèse que le conditionnement chronique de cardiomyocytes de souris avec PMA entraîne une régulation à la hausse de l'expression de Tbx3 et par conséquent une régulation à la hausse de l'expression de HCN et de l'expression de connexine, favorisant ainsi le développement des cellules stimulatrices cardiaques dans la population des cardiomyocytes. Afin de vérifier notre hypothèse, nous avons acheté des cellules de la lignée cellulaire E14TG2A de souris. Ces cellules ont été cultivées dans des pétris et différenciées en cardiomyocytes à l'aide d'un protocole en trois étapes (voir la section Méthodes). Les cardiomyocytes sont ensuite exposés à la PMA à des concentrations variables (0.1 µM vs 1 µM) pendant 1h (exposition aiguë) ou 24 h (exposition chronique). Les résultats variaient d'un groupe expérimental à l'autre par rapport au groupe témoin. Dans toutes les conditions expérimentales, il semble y avoir une augmentation initiale de l'activité spontanée, mais elle s'inverse rapidement à la marque des 24 heures, où le rythme diminue. Différentes concentrations jouent un rôle dose-dépendant dans l'effet inhibiteur de longue durée sur la stimulation des cellules. / Cardiovascular diseases are often caused by arrhythmias that originate from an obstruction within the cardiac conduction system. The key player within that system is the sinoatrial (SA) node, which is responsible for initiation the electrical impulses at a regular interval, insuring the heartbeat at a normal pace. Dysfunction of the SA node would lead to electrical instabilities in the heart. An acquired heart disease, such as rheumatic heart disease, or a conduction block are just some of many cases that would require an electronic pacemaker to monitor the heart rate and generate an impulse when it beats abnormally. Although the electric pacemaker is considered as a reliable therapy, it is not without limitations. These limitations include surgery complication, lead infection as well as limited battery lifespan, which requires replacement every few years thus adding to the hospital burden. Several approaches have been taken to develop a more adequate therapeutic method. A strategy that will be investigated involves using a graft of pacemaker cells, fundamentally creating a biological pacemaker. Cell therapy approaches use embryonic stem cells to evolve into the cardiac cell lines, including pacemaker cells. These pacing cells are characterized by spontaneous depolarization that create the rhythmic impulses in the heart and control the heart rate. An important element of the pacemaker cells that give rise to the spontaneous depolarization are the hyperpolarization- activated and cyclic nucleotide-gated (HCN) channels that are activated during hyperpolarization and conduct the funny current by increasing the cell’s inward permeability to sodium-potassium currents. On the other hand, the conduction rate is determined by connexin 30.2 and connexin 45, which are transmembrane proteins that assemble to form gap junctions. Both HCN expression and connexin expression has been linked to T-box factor 3 (Tbx3) in the development of atrial myocytes. A practicable approach to modulate gene expression and consequently protein expression is using chemical conditioning. Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) is a Protein Kinase C (PKC) activator that has linked to Tbx3 expression, and consequently HCN and connexin expression, and lead to a modification in spontaneous activity. Mouse embryonic stem cells (ESCs) are cells that are isolated from the inner cell mass of early embryos. These cells can differentiate into all somatic cell types. Given the proper combination of growth factors, these cells can differentiate into cardiomyocytes. We hypothesize that chronic conditioning of mice cardiomyocytes with PMA lead to an upregulation of Tbx3 expression and consequently an upregulation of HCN expression and connexin expression, therefore promoting the development of pacemaker cells within the cardiomyocyte population. In order to test our hypothesis, we purchased cells from the mouse E14TG2A cell line. These cells were cultured in glass bottom petri dishes and differentiated into cardiomyocytes using a three-step protocol (shown in Methods section). The cardiomyocytes are then exposed to PMA in varying concentration (0.1 µM vs 1 µM) for either 1h (acute exposure) or 24 h (chronic exposure). The results varied between the experimental groups compared to the control. In all experimental conditions there seems to be an initial increase in spontaneous activity, but this is quickly reversed at the 24 h mark, where pacing decreased. Different concentration plays a dose-dependent role in long-lasting inhibitory effect on the pacing of the cells

Dans les tumeurs solides, l'hypoxie est un mécanisme de résistance à la radiothérapie bien connu. Il a déjà été démontré que, lorsque les microbulles (MB) sont exposées à une impulsion ultrasonore (US), celles-ci peuvent induire une vasodilatation dans les tissus musculaires. De plus, une impulsion thérapeutique peut être délivrée localement dans la tumeur en dirigeant le faisceau US. Cette approche est donc proposée comme thérapie provasculaire ciblée, guidée par l’imagerie ultrasonore dans les tumeurs afin de réduire l'hypoxie avant la radiothérapie. Le contrôle de la vasodilatation est induit par la production d'oxyde nitrique (NO) par la voie de signalisation cellulaire du eNOS dans les cellules endothéliales. Il a été démontré que l'augmentation de l'ATP extracellulaire active la voie de signalisation du eNOS. Il a aussi été démontré que l’oscillation des MB sous l’effet des US libèrent de l'ATP lorsque le tissu musculaire est traité. Cependant, les effets des différentes conditions ultrasonores et de MB sur la libération d'ATP n'ont pas encore été étudiés. Nous émettons donc l'hypothèse qu'il existe des conditions permettant de maximiser l’activation des voies de signalisation purinergiques (ATP) et d'optimiser leur durée d’activation pour une réponse provasculaire optimale. Les motivations de ce projet sont de tester divers paramètres et d'étudier les interactions MB/cellules dans des conditions d'écoulement, qui sont généralement difficile à mettre en place lorsqu'on utilise des boîtes de Pétri. Pour quantifier plus facilement les voies de signalisation, nous avons créé des puces microfluidiques avec quatre canaux parallèles dans lesquels des cellules ont pu être cultivées. Avec quatre canaux traités lors d’une même impulsion ultrasonore, nous avons aussi augmenté le nombre de données à traiter et nous pouvons observer les effets de plusieurs impulsions lorsque les MB étaient dans un écoulement. En outre, la puce que nous avons développé est capable de donner une concentration en MB différente dans chaque canal afin de pouvoir tester quatre concentrations de MB différente dans des conditions d’écoulement. Les objectifs de ce projet de maîtrise sont donc les suivants : (1) concevoir la puce microfluidique ; (2) être capable de cultiver des cellules dans les canaux microfluidiques ; (3) créer des protocoles pour mesurer la libération d'ATP et la viabilité cellulaire après une impulsion ultrasonore ; (4) observer la capacité de la puce à donner différentes concentrations de MB dans chaque canaux en conditions d’écoulement. Lors de la conception de la puce microfluidique, nous avons créé un environnement dans lequel les quatre canaux de la puce ont des concentrations différentes de microbulles fluides. Ainsi, nous avons atteint les objectifs du projet. Nous avons réussi à introduire dans le canal microfluidique des cellules endothéliales de cordon ombilical humain (HUVEC) et une lignée cellulaire de cancer du sein (4T1). Les monocouches cellulaires créées par chacune des deux lignées cellulaires ont été traitées avec succès par une impulsion thérapeutique ultrasonore lors de l’injection de MB. Nos résultats montrent qu'une augmentation du nombre de cycles et de la pression, libère plus d'ATP et induisent une mortalité cellulaire plus importante. En outre, nous avons établi un lien entre la libération d'ATP et la mortalité cellulaire en comparant différentes impulsions thérapeutiques ultrasonore. Cette analyse a permis de dégager deux tendances. Avec des impulsions à faible énergie, la libération d'ATP est augmenté et on constate une très faible augmentation de la mort cellulaire ; inversement, avec des impulsions à plus forte énergie, la libération d'ATP et la mortalité cellulaire ont augmentés et on atteint un plateau. Ainsi, nos résultats confirment que différents mécanismes de libération d'ATP peuvent être déclenchés par les thérapies MB et US. / In solid tumors, hypoxia is a well-known resistance mechanism to radiation therapy. It was previously shown that microbubbles (MBs), when exposed to an ultrasound pulse (US) can cause vasodilation in muscle tissue. Conceptually, the therapeutic pulse can be localized on the tumor by steering the US beam. This approach is therefore proposed as a targeted image-guided provascular therapy in tumors to reduce hypoxia before radiotherapy. However, the effects of US and MB conditions on the relative increase in tumor perfusion remain largely unknown. Vascular control is managed by the production of nitric oxide (NO) through the eNOS pathway inside the endothelial cells. Increases in extracellular ATP have been shown to be a signaling event for the activation of this pathway. Fittingly, MB and US have been shown to release ATP when muscle tissue was treated. However, the effects of therapeutic US and MB parameters on the treatment have not yet been described. We, therefore, hypothesize that there are conditions that will maximize the purinergic signaling pathways (ATP) and optimize their time course for an optimal provascular response. The motivation for this project came from the desire to test various parameters and study MB/cell interactions in flowing conditions, which are typically limited when using petri dish setups. To quantify more easily the signaling pathways, we created microfluidic chips with four parallel cell coated channels. This chip allowed us to increase the throughput when using a single US exposure in static conditions and with the ability to support multiple US exposures with MB replenishment in flowing conditions. Also, the custom-made chip multiplexes the bubble concentration to obtain four channels with different flowing microbubble concentrations. The goals of this master’s project were thus: (1) to design the microfluidic chip; (2) to demonstrate the capacity for cell culture; (3) create protocols for measuring ATP and cell viability after therapeutic pulses; (4) to demonstrate repeatable flowing conditions with the multiplexed MB concentration. On the design of the microfluidic chip, we were successful at creating an environment where four of the four channels in the chip have different concentrations of flowing microbubbles. Thus, fulfilling the project's goals. We have succeeded in seeding both Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and a breast cancer cell line (4T1) into the microfluidic channel. The cell monolayers created by both cell lines were successfully treated with an US and MB therapeutic pulse. Our results support that an increase in both, cycles and pressure, release more ATP and cause more cell death. Further, we linked ATP release to cell death by comparing different therapeutic pulses. From this analysis, two trends appeared. With lower energy pulses, ATP release increased sharply with a very small increase in cell death; conversely, with higher energy pulses, ATP release continued to increase with cell death but reached a plateau. Thus, our results support that different mechanisms of ATP release can likely be triggered by MB and US therapy.

La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente et représente environ un tiers des hospitalisations attribuables aux troubles du rythme cardiaque. Les mécanismes d’initiation et de maintenance de la FA sont complexes et multiples. Parmi ceux-ci, une contribution du système nerveux autonome a été identifiée mais son rôle exact demeure mal compris. Ce travail cible l’étude de la modulation induite par l’acétylcholine (ACh) sur l’initiation et le maintien de la FA, en utilisant un modèle de tissu bidimensionnel. La propagation de l’influx électrique sur ce tissu est décrite par une équation réaction-diffusion non-linéaire résolue sur un maillage rectangulaire avec une méthode de différences finies, et la cinétique d'ACh suit une évolution temporelle prédéfinie qui correspond à l’activation du système parasympathique. Plus de 4400 simulations ont été réalisées sur la base de 4 épisodes d’arythmies, 5 tailles différentes de région modulée par l’ACh, 10 concentrations d’ACh et 22 constantes de temps de libération et de dégradation d’ACh. La complexité de la dynamique des réentrées est décrite en fonction de la constante de temps qui représente le taux de variation d’ACh. Les résultats obtenus suggèrent que la stimulation vagale peut mener soit à une dynamique plus complexe des réentrées soit à l’arrêt de la FA en fonction des quatre paramètres étudiés. Ils démontrent qu’une décharge vagale rapide, représentée par des constantes de temps faibles combinées à une quantité suffisamment grande d’ACh, a une forte probabilité de briser la réentrée primaire provoquant une activité fibrillatoire. Cette activité est caractérisée par la création de plusieurs ondelettes à partir d’un rotor primaire sous l’effet de l’hétérogénéité du gradient de repolarisation causé par l’activité autonomique. / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent arrhythmia and accounts for about one-third of hospitalizations for cardiac rhythm disturbances. The mechanisms of initiation and maintenance of atrial fibrillation are complex and multifaceted. Among them, a contribution of the autonomic nervous system has been identified but its exact role remains poorly understood. This work targets the study of the effect of autonomic modulation induced by acetylcholine (ACh) on the initiation and maintenance of AF, using a two-dimensional tissue model. Electrical impulse propagation in the tissue was described by as a non-linear reaction-diffusion equation solved on a rectangular mesh with finite difference methods, and ACh kinetics followed a predefined time evolution corresponding to parasympathetic activation. More than 4400 simulations were performed based on 4 fibrillatory initial conditions, 5 sizes of ACh patch, 10 ACh concentrations and 22 time constants representing ACh release and degradation speed. Our results suggest that vagal stimulation can sustain or terminate AF depending on the 4 parameters studied. Results demonstrate that rapid vagal discharge, represented by low time constants combined with sufficient quantities of ACh, has a high probability of breaking the primary reentry and causing fibrillatory activity. This activity is characterized by the generation of several wavelets from a primary rotor under the heterogeneity of repolarization gradient due to autonomic modulation.

Les signaux des variations de sections thoracique (Tho) et abdominale (Abd) obtenus par<br />pléthysmographie respiratoire par inductance ont été analysés pour 1) détecter des limitations<br />inspiratoires de débit chez le sujet sain induites à l'aide d'un dispositif mis au point au<br />laboratoire; cette méthode de détection est basée sur l'analyse de la forme du signal Abd, 2)<br />évaluer les variations de volume pulmonaire afin d'en déduire l'évolution des fuites au cours<br />de la nuit, chez des patients ayant des maladies neuromusculaire sous ventilation assistée;<br />pour faire cette évaluation, les variations d'amplitudes des signaux Tho et Abd ont été<br />utilisées et 3) détecter les déglutitions provoquées par ingestion d'eau chez des personnes<br />âgées; cette détection utilise le signal débit, obtenu par dérivation du signal volume calculé à<br />partir des signaux Abd et Tho. Aucune de ces trois analyses n'a nécessité l'étalonnage du<br />système de pléthysmographie respiratoire par inductance.

L'épaule est souvent affectée par des troubles musculo-squelettiques. Toutefois, leur évaluation est limitée à des mesures qualitatives qui nuisent à la spécificité et justesse du diagnostic. L'analyse de mouvement tridimensionnel pourrait complémenter le traitement conventionnel à l'aide de mesures quantitatives fonctionnelles. L'interaction entre les articulations de l'épaule est estimée par le rythme scapulo-huméral, mais la variabilité prononcée qu'il affiche nuit à son utilisation clinique. Ainsi, l'objectif général de cette thèse était de réduire la variabilité de la mesure du rythme scapulo-huméral. L'effet de la méthode de calcul du rythme scapulo-huméral et des conditions d'exécution du mouvement (rotation axiale du bras, charge, vitesse, activité musculaire) ont été testées. La cinématique des articulations de l'épaule a été calculé par chaîne cinématique et filtre de Kalman étendu sur des sujets sains avec un système optoélectronique. La méthode usuelle de calcul du rythme scapulo-huméral extrait les angles d'élévation gléno-humérale et de rotation latérale scapulo-thoracique. Puisque ces angles ne sont pas co-planaires au thorax, leur somme ne correspond pas à l'angle d'élévation du bras. Une nouvelle approche de contribution articulaire incluant toutes les rotations de chaque articulation est proposée et comparée à la méthode usuelle. La méthode usuelle surestimait systématiquement la contribution gléno-humérale par rapport à la méthode proposée. Ce nouveau calcul du rythme scapulo-huméral permet une évaluation fonctionnelle dynamique de l'épaule et réduit la variabilité inter-sujets. La comparaison d'exercices de réadaptation du supra-épineux contrastant la rotation axiale du bras a été réalisée, ainsi que l'effet d'ajouter une charge externe. L'exercice «full-can» augmentait le rythme scapulo-huméral et la contribution gléno-humérale ce qui concorde avec la fonction du supra-épineux. Au contraire, l'exercice «empty-can» augmentait la contribution scapulo-thoracique ce qui est associé à une compensation pour éviter la contribution gléno-humérale. L'utilisation de charge externe lors de la réadaptation du supra-épineux semble justifiée par un rythme scapulo-huméral similaire et une élévation gléno-humérale supérieure. Le mouvement de l'épaule est souvent mesuré ou évalué en condition statique ou dynamique et passive ou active. Cependant, l'effet de ces conditions sur la coordination articulaire demeure incertain. La comparaison des ces conditions révélait des différences significatives qui montrent l'importance de considérer les conditions de mouvement pour l'acquisition ou la comparaison des données. / The shoulder is often afflicted by musculo-skeletal diseases. However, shoulder evaluation is limited to qualitative measures affecting the specificity and accuracy of diagnosis. Three-dimensional motion analysis could complement conventional treatment with quantitative functional measures. The interaction between shoulder joints is estimated by the scapulo-humeral rhythm, but its pronounced variability of measurement ampers appropriate clinical use. Hence, the main objective of the thesis was to reduce the variability in the measure of the scapulo-humeral rhythm. The effect of the calculation method and conditions of motion (arm axial rotation, load, velocity, muscular activity) were tested on healthy subjects. Shoulder joints kinematics were obtained with an optoelectronic system using a kinematical chain and an extended Kalman filter. The common method of scapulo-humeral rhythm calculation extracts the angles of gleno-humeral elevation and scapulo-thoracic lateral rotation. Since these angles are not co-planar, their sum does not correspond to the arm elevation angle. A novel approach of joint contribution including all the rotations of each joint was developed and compared to the common method. The common method systematically overestimated gleno-humeral contribution in comparison to the proposed method. The new scapulo-humeral rhythm calculation allows a dynamic functional evaluation of the shoulder and reduces inter-subject variability. Shoulder coordination was compared on typical supraspinatus rehabilitation exercises contrasting in arm axial rotation, and the effect of adding external load was tested. The ''full-can'' exercise increased the scapulo-humeral rhythm and gleno-humeral contribution, which correspond to supraspinatus function. In contrast, the ''empty-can'' exercise increased scapulo-thoracic contribution, which is associated to compensation to avoid gleno-humeral contribution. The use of external load in supraspinatus rehabilitation seems justified by a similar scapulo-humeral rhythm and superior gleno-humeral elevation. Shoulder motion is often measured or evaluated in static or dynamic and passive or active conditions. However, the effect of these conditions on shoulder coordination remains uncertain. The comparison of these conditions revealed significant differences on shoulder kinematics showing the importance to consider conditions of motion for acquisition or comparison of data.