Avec l'augmentation des menaces asymétriques partout sur la planète depuis le début des années 1990s impliquant des armes produisant de forts dommages par rapport à leurs coûts, plusieurs types d'armes biologiques sont devenus une menace d'importance croissante dans le théâtre militaire ainsi que dans le monde civil. Les armes biologiques peuvent êtres facilement dissimulées sur une personne. Elles sont difficilement détectables et leurs déploiements peuvent causer des dommages psychologiques incommensurables sur les populations affectées, assmant un ravage souvent loin au delà de leur emplacement physique. Pour essayer de diminuer l'efficacité de ces armes, des méthodes pour détecter et distinguer en retrait les agents biologiques parmi les autres aérosols naturels présents dans l'atmosphère sont actuellement en développement. Recherche et Développement pour la Défense Canada (RDDC) et le gouvernement du Canada explorent actuellement les LIDARs comme la technologie principale visant la détection à distance d'organismes biologiques. Toutes informations pouvant êtres récoltées à propos des armes biologiques en utilisant cette technologie sont utiles à l'avancement de la cause de la biodétection à distance. Ce rapport présente les résultats d'un projet ayant pom but de décrire les effets de l'âge des bactéries sur leurs propriétés spectrales de fluorescence en utilisant la technologie LIDAR. Les expériences ont été exécutées dans une chambre hermétique LIDAR de laboratoire sur des simulants d'agents biologiques connues, trois desquelles (2 souches de Bacillus subtilis var. niger identifiées comme BGnew et BGold et une souche de Bacillus thuringiensis identifié comme BT) étant des simulants de la bactérie Bacillus anthracis (l'anthrax), sans doute l'agent biologique le plus probable à être utilisé, et l'autre (Erwinia herbicola identifié comme EH) étant un simulant de Yersinia pestis (la peste). Les bactéries étaient mélangées avec leur milieu de culture, soit le ± Tryptic soy broth ¿ (TSB). Bien que plus de tests soient nécessaires afin de pouvoir finaliser des conclusions plus robustes, certaines tendances ont été observées. Le mélange de Erwinia herbicola a montré une fluorescence induite ayant une tendance vers les courtes longueurs d'ondes lorsque la culture était plus âgée. Le mélange de Bacillus thuringiensis (BT) a démontré une petite tendance vers les longues longueurs d'ondes avec l'âge. Les deux différentes souches de Bacillus globigii ont montrées des fluorescences induites ayant des tendances vers les courtes longueurs d'ondes après un mois et vers les longues longueurs d'ondes après trois mois. En bref, la signature de fluorescence semble dépendre de l'âge du mélange bactérie-bouillon de culture bien que cet effet varie en fonction du type mélange. Certains mélanges étaient plus efficaces à produire de la fluorescence que d'autres. Le mélange de BGnew-ljour a démontré la plus haute efficacité de fluorescence tandis que BG_old-3mois, BGold-ljour et EH-ljour ont démontrés les plus faibles. Nos résultats démontrent que la signature spectrale d'une bactérie est influencée par le temps d'incubation dans son milieu de culture. Cette information est très importante lors de l'élaboration de banques de signatures standardisées servant à la classification bactérienne à distance dans le cadre d'intervention sur le terrain. Dans des contextes militaires et de sécurité publique, cette information serait aussi un outil important pour retrouver l'origine des agents biologiques (ex: s'ils parviennent d'un labo ou d'un lieu d'entreposage).

Le génie tissulaire permet de reconstruire des tissus hautement physiologiques qui constituent des modèles tridimensionnels utiles à de nombreuses applications, notamment pour étudier des interactions cellules-cellules ou cellules-matrice. Notre objectif était de modéliser par génie tissulaire le système nerveux périphérique (SNP) sensoriel et moteur, afin de permettre l'étude in vivo et in vitro de la régénération nerveuse et des différents facteurs qui la favorisent, aussi bien que l'étude de la myélinisation et des diverses maladies du SNP, dans le but d'approfondir les connaissances sur ces phénomènes. Nous voulions aussi développer des méthodes permettant d'obtenir des cellules de la moelle épinière murine ainsi que des neurones humains pouvant éventuellement être utilisés dans la reconstruction tissulaire et pour l'étude du SNP. En se basant sur l'expertise déjà acquise au laboratoire, nous avons fabriqué une peau humaine reconstruite en prenant comme base une éponge de collagène et avons étudié son innervation dans un contexte in vivo chez la souris. Nos résultats ont révélé que cette peau pouvait être innervée en 2 à 4 mois par des axones en régénération et que l'invasion de cellules de Schwann précédait cette innervation. Cette peau reconstruite a été par la suite utilisée et adaptée pour développer un modèle unique de régénération nerveuse périphérique sensorielle in vitro. Des neurones sensoriels murins ont été ensemencés sur des éponges de collagène colonisées par des cellules endothéliales et/ou des fibroblastes et, dans certains cas, des kératinocytes. Une forte croissance des prolongements nerveux a été observée et l'addition de cellules endothéliales a provoqué l'association des prolongements nerveux avec les pseudocapillaires reconstruits dans le modèle. Ce modèle constitue un outil puissant pour étudier l'effet de diverses cellules et/ou molécules sur la croissance des prolongements nerveux sensoriels in vitro. Dans le but d'adapter ce modèle à l'étude des neurones moteurs, nous avons d'abord optimisé différentes techniques afin d'obtenir des neurones moteurs de la moelle épinière embryonnaire de souris. Notre méthode a permis l'obtention de populations de neurones moteurs pures à 97%. Par la suite, ces neurones ont été ensemencés sur des éponges de collagène colonisées par des cellules de Schwann et/ou des fibroblastes. Notre modèle a permis la survie, l'élongation et la maturation des prolongements des neurones moteurs. Lorsque des cellules de Schwann étaient présentes, la formation de gaines de myéline autour des prolongements nerveux a été détectée. En plus de son utilité pour des études fondamentales sur la myélinisation et la régénération nerveuse motrice, ce modèle peut être complété par l'addition d'astrocytes, de microglies et de cellules musculaires afin de mieux comprendre les maladies des neurones moteurs. Finalement, nous avons cultivé des précurseurs provenant de la peau humaine adulte et les avons différenciés en neurones matures. Les cellules en différenciation exprimaient de façon séquentielle différents marqueurs du développement normal des neurones pour finalement révéler des marqueurs neuronaux tardifs. Ceci ouvre la voie à de nombreuses applications thérapeutiques potentielles et procure de nouvelles possibilités d'études sur des neurones d'origine humaine. En conclusion, le génie tissulaire nous a permis d'effectuer des études uniques sur le comportement en coculture tridimensionnelle de plusieurs types cellulaires avec des neurones du SNP par l'utilisation des nouveaux modèles que nous avons développés. Ces derniers sont hautement flexibles et s'avéreront très utiles pour plusieurs études fondamentales en neuroscience et pour l'acquisition de nouvelles connaissances sur les diverses maladies du SNP. / Tissue engineering allows the in vitro reconstruction of highly physiological tissues which constitute three-dimensional models useful for numerous applications, particularly to study cell-cell or cell-matrix interactions. Our objective was to modelize the sensory and motor peripheral nervous System (PNS) by tissue engineering, allowing the in vivo and in vitro study of nerve regeneration and the various factors that influence it, as well as myelination and PNS diseases in the aim of looking further into our knowledge on these phenomena. Since the reconstruction of tissues begins with cell isolation, we wanted also to develop methods allowing us to obtain spinal cord cells, including motor neurons, and human neurons to eventually use them in our models. Based on the expertise acquired by our laboratory, we reconstructed a human skin using a collagen sponge and studied its in vivo innervation after graft on mice. Our results revealed that this skin can be innervated in 2 to 4 months by regenerating axons and that this innervation was preceded by Schwann cell invasion. This permissive reconstructed skin was then adapted for the development of a unique in vitro model of sensory nerve regeneration. Murine sensory neurons were seeded onto collagen sponges populated by endothelial cells and/or fibroblasts and, in certain cases, keratinocytes. A robust neurite outgrowth was observed and the addition of endothelial cells allowed the association of neurite with capillary-like tubes formed in the model. This model constitutes a powerful tool for the in vitro study of various cells and/or molecules on sensory neurite outgrowth. In the aim of adapting this system to the study of motor neurons, we optimized different techniques to obtain motor neurons from mouse embryonic spinal cord. Our method allowed the harvesting of a population of 97% pure motor neurons. Afterward, these motor neurons were seeded onto collagen sponges populated with Schwann cells and/or fibroblasts. Our model allowed the survival, neurite outgrowth and maturation of motor neurons. When Schwann cells were added, myelin formation and axon ensheathment was observed. In addition to its utility for fundamental studies on myelination and motor nerve regeneration, this model may be completed by the coculture of astrocytes, microglia and muscle cells to better understand motor neuron diseases. Finally, we cultured precursor cells from adult human skin and differentiated them into mature neurons. Differentiating cells sequentially expressed markers of normal neural development to finally reveal markers of terminally differentiated neurons. This opens the way for numerous potential therapeutic applications and provides new possibilities for the study of human neurons. In conclusion, the tissue-engineered models we developed allowed us to perform unique studies on the three-dimensional coculture comportment of many cells types with PNS neurons with the use of new models that we have developed. Those models are highly flexible and will be very useful for many fundamental neuroscience studies and for acquiring new knowledge on various PNS diseases.

Le microbiote intestinal est un écosystème complexe jouant un rôle très important dans la santé humaine. L’établissement du microbiote intestinal s’effectue dans la première année de vie. Afin de stimuler chez les enfants nourris avec des préparations infantiles les bifidobactéries et lactobacilles, les laits infantiles pourraient être supplémentés avec des probiotiques ou des prébiotiques. Cette supplémentation pourrait leur apporter une protection renforcée contre les troubles intestinaux, les infections et les risques allergiques. Les études in vivo chez les enfants étant difficiles à réaliser à cause de problèmes d’accessibilité et d’éthique, des outils permettant de faire des études in vitro ont été développés. Les systèmes de fermentation continu sont ceux qui se rapprochent le plus des conditions in vivo. Différents modèles ont été proposés, tous utilisent des bactéries fécales libres alors que la microflore bactérienne est présente à l’état planctonique et sessile dans le côlon. Peu de modèles in vitro ont été proposés pour simuler l’écosystème colique chez l’enfant. Le but de cette étude était donc de développer un nouveau modèle de fermentation colique avec cellules immobilisées pour simuler l’écosystème intestinal chez l’enfant. Nous avons montré qu’une microflore fécale pouvait être immobilisée et que sa diversité bactérienne était conservée au cours de la fermentation en continu. La composition et l’activité métabolique de la microflore bactérienne s’équilibraient en fonction des conditions de fermentation à des niveaux voisins de ceux observés in vivo chez l’enfant. Ensuite un modèle de fermentation en continu à trois réacteurs pour simuler le côlon proximal, distal et transverse chez l’enfant a été développé et validé. Ce nouveau modèle a ensuite permis de comparer les effets d’un prébiotique connu (fructooligosaccharide) et d’un exopolysaccharide produit par L. rhamnosus RW-9595M sur l’écosystème intestinal chez l’enfant. Le fructooligosaccharide testé influençait favorablement l’écosystème intestinal alors que l’exopolysaccharide n’était pas métabolisé par le microbiote intestinal chez les enfants. Ce nouveau modèle avec cellules immobilisées possède l’avantage d’obtenir une grande stabilité à la fois de la composition bactérienne et de l’activité métabolique de la microflore, faisant de ce nouveau modèle de fermentation colique un outil de travail pratique, fiable et facile à opérer. / The intestinal microbiota is a complex ecosystem playing a key role in human health. The intestinal microbiota establishment occurred during the first year of life. To stimulate bifidobacteria and lactobacilli in formula fed infants, infant formula could be supplemented with probiotics or prebiotics, food ingredient able to improve human health. This supplementation could provide to them a better protection against gastro-intestinal disorders, infections and allergic risks. In vivo studies are difficult to carry out in infants due to accessibility and ethic problems, then in vitro studies become important. Continuous fermentation systems display the closest conditions to those encountered in vivo. Different fermentation systems have been proposed, all are using free-cell cultures whereas in vivo bacteria are present in colon at planktonic and sessile states. To our knowledge only one in vitro model has been proposed to simulate infant colonic fermentation. The aim of this study was to develop a new in vitro system with immobilized cells to simulate infant colonic ecosystem. First a feasibility study was done, we showed that a complex fecal microflora could be immobilized and the inoculum bacterial diversity was conserved in the ecosystem established in the fermentation system. The bacterial composition and metabolic activities of the microbiota reached an equilibrium specific to the fermentation conditions tested. These equilibriums were closed to those detected in vivo in infant colon. Then a three-stage chemostat using immobilized fecal bacteria was developed and validate to simulate simultaneously, proximal, transverse and distal infant colon conditions. This last in vitro colonic fermentation model was used to compared the effect of a well-known prebiotic (fructooligosaccharide) with an exopolysaccharide produced by L. rhamnosus RW-9595M on the infant colonic microbiota. The fructooligosaccharide used beneficially influenced the bacterial ecosystem whereas exopolysaccharide substrate did not seem to be metabolized by infant colonic microbiota. The main advantage of this system with immobilized cells is the great stability of the bacterial composition and metabolic activities of the microflora established in the model. For this, the in vitro colonic fermentation system with immobilized cells is a very efficient tool, easy to operate and reliable.

L'application commerciale de la culture in vitro est limitée à la propagation massive de certaines espèces végétales en raison des pertes excessives rencontrée lors de la phase de l'acclimatation. On pense que le saccharose ajouté au milieu de culture serait responsable de ce problème. L'objectif de cette thèse était d'approfondir nos connaissances sur les effets du saccharose exogène et des conditions in vitro sur la croissance, la physiologie et la biochimie des plantules de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) in vitro et ex vitro. Comme prémisse à la recherche nous nous sommes intéressés à déterminer comment le sucre est absorbé et transporté dans les plantules. Les plantules autotrophes et mixotrophes absorbent et métabolisent le sucre de manière très distincte. Les premières absorbent et transloquent de faibles quantités de saccharose et relâchent même de fortes quantités des sucres dans le milieu. Les plantules mixotrophes accumulent des sucres radioactifs dans la tige et dans les feuilles. Grâce à une approche métabolomique nous avons étudié de manière approfondie la réponse métabolique des plantules in vitro et ex vitro de sucres exogènes. Nos données de métabolomique expliquent certains des problèmes trouvés dans les conditions de culture in vitro et leur impact sur l'acclimatation ex vitro. Par exemple, l'analyse métabolomique révèle que les conditions de culture in vitro ont provoqué des changements très importants des métabolismes de l'azote et du carbone; des niveaux plus élevés d'acides aminés, de metabolites de stress, de polyamines, d'intermédiaires de la photorespiration, de sucres alcools osmotiquement actifs, et des niveaux inférieurs des intermédiaires du cycle de Krebs et de la glycolyse, caractérisent le phénotype métabolique distinct des plantules in vitro mixotrophes. Nous suggérons que ces changements dans les niveaux d'accumulation des metabolites représentent une réponse adaptative de la plantule in vitro à la quantité excessive d'azote dans le milieu de culture MS et aux conditions de stress osmotique causés par la présence de sucre exogène.

Des milieux polyphasiques aux milieux complexes

Ce travail concerne l'utilisation de la technique de Fracturation Hydraulique (FH) pour exploiter l'énergie géothermique des réservoirs profonds de roches sèches chaudes (HDR). La fracturation hydraulique est réalisée par injection de fluides géothermiques dans des réservoirs partiellement fracturés de faible perméabilité. Les fluides à haute pression sont destinés à faire évoluer les fissures et leur connectivité. Les valeurs de débit/pression auxquelles les fluides géothermiques doivent être pompés, ainsi que le calendrier de pompage pour initier la fracturation hydraulique, dépendent principalement des conditions géostatiques existantes (contraintes géostatiques, pression fluide et température initiales de l'HDR) ainsi que des propriétés des fissures de l'HDR (longueur, épaisseur, densité et distribution directionnelle initiales moyennes de fissures). Tous ces éléments, en sus de leurs effets sur la stabilité des forages, sont analysés dans cette recherche. Des modèles de fracturation, qui sont capables de suivre l'évolution des fissures dans toutes les orientations spatiales possibles, sont utilisés pour obtenir le tenseur anisotrope de perméabilité. Ces modèles sont intégrés dans un code domestique d'éléments finis qui est développé pour résoudre des problèmes aux limites thermo-poroélastiques. Pour supprimer/diminuer les oscillations qui accompagnent les solutions paraboliques et/ou hyperboliques lors de la convection forcée, plusieurs techniques de stabilisation ont dû être implémentées. / The application of the Hydraulic Fracturing (HF) technology to exploit geothermal energy from Hot Dry Rocks (HDR) reservoirs is addressed. HF is achieved by extensively pumping geothermal fluids to already existing fractured HDR reservoirs of low permeability. High fluid pressures are expected to drive cracks to evolve and connect. The newly created burgeoning hydraulic conduits should supposedly enhance the permeability of the existing HDR reservoirs. The flow rate/pressure values at which geothermal fluids should be pumped, as well as the pumping schedule to initiate HF, depend primarily on the existing geostatic conditions (geostatic stresses, initial HDR pressure and temperature) as well as on HDR fracture properties (initial mean fracture length, mean fracture aperture, density and orientational distribution of fractures). While these components, in addition to their effects on borehole stability, are scrutinized in this research, focus is on the evolution during circulation processes of the fracture properties. A fracturing model that is capable of tracking fracture evolution in all possible spatial orientations is used to obtain the time course of the anisotropic permeability tensor. This evolving property is integrated into a domestic finite element code which is developed to solve thermo–poroelastic BVPs: emphasis is laid on the efficiency of the doublet flow technique where a fluid gains thermal energy by circulating through the HDR reservoir from the injection well to the production well. The spurious oscillations in the hyperbolic solutions of the approximated finite element approach that are commensal with the phenomenon of forced heat convection are healed/mitigated through several stabilization approaches.

This work is dedicated to the control of the accuracy of computational simulations of sound propagation and scattering. Assuming time-harmonic behaviour, the mathematical models are given as boundary value problems for the Helmholtz equation <i>Delta u+k2u=0 </i> in <i>Oméga</i>. A distinction is made between interior, exterior and coupled problems and this work focuses mainly on interior uncoupled problems for which the Helmholtz equation becomes singular at eigenfrequencies. <p><p>As in other application fields, error control is an important issue in acoustic computations. It is clear that the numerical parameters (mesh size h and degree of approximation p) must be adapted to the physical parameter k. The well known ‘rule of the thumb’ for the h version with linear elements is to resolve the wavelength <i>lambda=2 pi k-1</i> by six elements characterising the approximability of the finite element mesh. If the numerical model is stable, the quality of the numerical solution is entirely controlled by the approximability of the finite element mesh. The situation is quite different in the presence of singularities. In that case, <i>stability</i> (or the lack thereof) is equally (sometimes more) important. In our application, the solutions are ‘rough’, i.e. highly oscillatory if the wavenumber is large. This is a singularity inherent to the differential operator rather than to the domain or the boundary conditions. This effect is called the <i>k-singularity</i>. Similarly, the discrete operator (“stiffness” matrix) becomes singular at eigenvalues of the discretised interior problem (or nearly singular at damped eigenvalues in solid-fluid interaction). This type of singularities is called the <i>lambda-singularities</i>. Both singularities are of global character. Without adaptive correction, their destabilizing effect generally leads to large error of the finite element results, even if the finite element mesh satisfies the ‘rule of the thumb’. <p><p>The k- and lambda-singularities are first extensively demonstrated by numerical examples. Then, two <i>a posteriori</i> error estimators are developed and the numerical tests show that, due to these specific phenomena of dynamo-acoustic computations, <i>error control cannot, in general, be accomplished by just ‘transplanting’ methods that worked well in static computations</i>. However, for low wavenumbers, it is necessary to also control the influence of the geometric (reentrants corners) or physical (discontinuities of the boundary conditions) singularities. An <i>h</i>-adaptive version with refinements has been implemented. These tools have been applied to two industrial examples :the GLT, a bi-mode bus from Bombardier Eurorail, and the Vertigo, a sport car from Gillet Automobiles.<p><p>As a conclusion, it is recommanded to replace the rule of the thumb by a criterion based on the control of the influence of the specific singularities of the Helmholtz operator. As this aim cannot be achieved by the <i>a posteriori</i> error estimators, it is suggested to minimize the influence of the singularities by modifying the formulation of the finite element method or by formulating a “meshless” method.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Un programme d'inversion des formes d'ondes sismiques a été développé pour estimer les propriétés d'un milieu stratifié élastique dans le domaine temps-distance. Ce programme est capable de prendre en compte des données haute~ fréquences (0-50 Hz) et des milieux finement stratifiés, ce qui en fait une méthode particulièrement adaptée à l'inversion de profils de sismique marine, y compris ceux enregistrés par des sismographes fond de mer. Le problème inverse est résolu par une tchnique de moindres carrés généralisée. Cette technique nécessite de pouvoir résoudre rapidement le problème direct et calculer efficacement la matrice des dérivées de Fréchet qui représente la sensibilité au premier ordre des champs d'ondes par rapport à de faibles modifications des paramètres élastiques du modèle. Le problème direct est résolu en utilisant une technique classique de matrices de réflexion-transmission généralisée combinée avec une intégration en nombres d'ondes discrets. Les dérivées de Fréchet sont obtenues sous forme analytique à l'aide des fonctions de Green du milieu non perturbé. Nous proposons deux approches pour calculer ces dérivées. La première consiste à les calculer directement dans le domaine temps-distance en représentant les interfaces par des arrangements réguliers de points diffractants. La deuxième approche est une nouvelle méthode de calcul basée sur une formulation analytique qui permet d'évaluer avec rapidité et précision les dérivées de Fréchet pour une perturbation des paramètres élastiques d'une couche plane d'extension infinie. La méthode d'inversion proprement dite utilise une technique de gradients conjugués dans le domaine temps-distance, en intégrant toutes les techniques développées précédemment. La méthode est illustrée par des exemples d'inversion de données synthétiques réalistes, mais aussi par des enregistrements réels de type OBS de la campagne Malis en Mer Ligure. La robustesse de la méthode a été étudiée en imposant aux données ou au milieu de propagation certaines erreurs violant les hypothèses de base de l'algorithme. La méthode permet par ailleurs de considérer un grand nombre de géométries source-récepteur et peut s'appliquer en particulier à des enregistrements de profils sismiques verticaux, ainsi qu'à des modèles présentant une forte variabilité des propriétés élastiques suivant la profondeur.

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