La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur. / Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.

L’avènement du génotypage à haut débit permet aujourd’hui de mieux exploiter le phénomène d’association, appelé déséquilibre de liaison (LD), qui existe entre les allèles de différents loci sur le génome. Dans ce contexte, l’utilité de certains modèles utilisés en cartographie de locus à effets quantitatifs (QTL) est remise en question. Les objectifs de ce travail étaient de discriminer entre des modèles utilisés en routine en cartographie et d’apporter des éclaircissements sur la meilleure façon d’exploiter le LD, par l’utilisation d’haplotypes, afin d’optimiser les modèles basés sur ce concept. On montre que les modèles uni-marqueur de liaison, développés en génétique il y a vingtaine d’années, comportent peu d’intérêts aujourd’hui avec le génotypage à haut débit. Dans ce contexte, on montre que les modèles uni-marqueur d’association comportent plus d’avantages que les modèles uni-marqueur de liaison, surtout pour des QTL ayant un effet petit ou modéré sur le phénotype, à condition de bien maîtriser la structure génétique entre individus. Les puissances et les robustesses statistiques de ces modèles ont été étudiées, à la fois sur le plan théorique et par simulations, afin de valider les résultats obtenus pour la comparaison de l’association avec la liaison. Toutefois, les modèles uni-marqueur ne sont pas aussi efficaces que les modèles utilisant des haplotypes dans la prise en compte du LD pour une cartographie fine de QTL. Des propriétés mathématiques reliées à la cartographie de QTL par l’exploitation du LD multiallélique capté par les modèles haplotypiques ont été explicitées et étudiées à l’aide d’une distance matricielle définie entre deux positions sur le génome. Cette distance a été exprimée algébriquement comme une fonction des coefficients du LD multiallélique. Les propriétés mathématiques liées à cette fonction montrent qu’il est difficile de bien exploiter le LD multiallélique, pour un génotypage à haut débit, si l’on ne tient pas compte uniquement de la similarité totale entre des haplotypes. Des études sur données réelles et simulées ont illustré ces propriétés et montrent une corrélation supérieure à 0.9 entre une statistique basée sur la distance matricielle et des résultats de cartographie. Cette forte corrélation a donné lieu à la proposition d’une méthode, basée sur la distance matricielle, qui aide à discriminer entre les modèles utilisés en cartographie. / The advent of high-throughput genotyping nowadays allows better exploitation of the association phenomenon, called linkage disequilibrium (LD), between alleles of different loci on the genome. In this context, the usefulness of some models to fine map quantitative trait locus (QTL) is questioned. The aims of this work were to discriminate between models routinely used for QTL mapping and to provide enlightenment on the best way to exploit LD, when using haplotypes, in order to optimize haplotype-based models. We show that single-marker linkage models, developed twenty years ago, have little interest today with the advent of high-throughput genotyping. In this context, we show that single-marker association models are more advantageous than single-marker linkage models, especially for QTL with a small or moderate effect on the phenotype. The statistical powers and robustness of these models have been studied both theoretically and by simulations, in order to validate the comparison of single-marker association models with single-marker linkage models. However, single-marker models are less efficient than haplotype-based models for making better use of LD in fine mapping of QTL. Mathematical properties related to the multiallelic LD captured by haplotype-based models have been shown, and studied, by the use of a matrix distance defined between two loci on the genome. This distance has been expressed algebraically as a function of the multiallelic LD coefficients. The mathematical properties related to this function show that it is difficult to exploit well multiallelic LD, for a high-throughput genotyping, if one takes into account the partial and total similarity between haplotypes instead of the total similarity only. Studies on real and simulated data illustrate these properties and show a correlation above 0.9 between a statistic based on the matrix distance and mapping results. Hence a new method, based on the matrix distance, which helps to discriminate between models used for mapping is proposed.

Le vieillissement est un processus complexe déterminé par des facteurs génétiques et environnementaux qui varie d’un individu à l’autre. Bien que le vieillissement soit la cause principale de nombreuses maladies, nos connaissances sur le sujet sont relativement limitées. Tout au long de ce travail, j’ai utilisé la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae pour identifier les facteurs génétiques et environnementaux influant sur le vieillissement et pour comprendre les interactions qu’ils entretiennent entre eux. Jusqu’à présent, les approches classiques de génétique ont permis de découvrir un certain nombre de gènes impliqués dans la régulation du vieillissement chronologique de la levure (CLS), basé sur la longévité de celle-ci en conditions non-prolifératives. Or, ces approches se sont essentiellement centrées sur des souches de laboratoire et n’ont que très peu exploité les richesses de la biodiversité. Dans une première partie, j’ai utilisé une large cohorte de levures composée de plus de 1000 souches naturelles de S. cerevisiae afin d’estimer la variabilité de longévité existant au sein de l’espèce. Leur longévité a été étudiée dans différentes conditions connues pour freiner le vieillissement : sous restriction calorique ou en présence d’un agoniste de la restriction calorique, la molécule rapamycine, qui inhibe directement la voie de signalisation TOR. Les microorganismes passent la majeure partie de leur vie dans des environnements défavorables, pauvres en ressources nutritives. Leur capacité à survivre à ces périodes de restriction (CLS) est donc primordiale. J’ai observé que les souches sauvages ont tendance à spontanément initier le programme de méiose aboutissant à la formation de spores lorsque les conditions environnementales deviennent restreintes. En revanche, les souches domestiques préfèrent entrer en quiescence, ce qui leur confère une viabilité et une résistance accrues. De plus, en ayant recours à une approche basée sur des gènes présélectionnés et à une étude d’association pangénomique, j’ai observé que la variabilité de longévité entre les différentes souches est déterminée par un large spectre de polymorphismes génétiques, tels que des mutations non-synonymes ou non-sens, et par l’absence ou la présence de certains gènes. Toutes ces composantes génétiques interagissent pleinement avec l’environnement. Dans une deuxième partie, j’ai réalisé une analyse de liaison génétique grâce à 1056 souches descendantes de deux souches parentales. La longévité (CLS) de ces 1056 souches a été mesurée dans le but d’identifier des locus de caractères quantitatifs (QTLs). Le vieillissement chronologique a été déterminé à la fois à partir d’un milieu riche, d’un milieu restreint en calories, ou en présence de rapamycine. J’ai identifié 30 QTLs distincts, certains d’entre eux sont communs et récurrents dans plusieurs environnements, tandis que d’autres sont plus spécifiques et occasionnels. Les deux QTLs principaux, associés aux gènes HPF1 et FLO11, codent tous deux des protéines du mur cellulaire, et sont jusqu’à présent non reconnus comme régulateurs du vieillissement. Etonnement, ces deux gènes contiennent des répétitions d’ADN en tandem qui s’avèrent être massivement amplifiées dans une des deux souches parentales d’origine. Alors que les allèles courts de HPF1 et FLO11 n’ont pas d’effet sur le vieillissement, les allèles longs sont relativement délétères, hormis en présence de rapamycine. Après investigation, il semble que la forme allongée de HPF1 provoque la flottaison des cellules de levure au cours de la phase de croissance, les exposants à des taux plus élevés d’oxygène. / Aging is a classical complex trait varying quantitatively among individuals and affected by both the genetic background and the environment. While aging is the highest risk factor for a large number of diseases, little is known about the underlying molecular mechanisms. Identifying the causal genetic variants underlying natural variation in longevity and understanding their interaction with the genetic background and the environment remains a major challenge. In this work, I used the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, to identify environmental and genetic factors contributing to aging. While extensive classical genetic studies discovered several genes involved in the regulation of chronological lifespan (CLS), which measures cell viability dynamic in non-dividing condition, using laboratory strains in standard conditions, there are only few studies exploiting variations in natural populations. In the first part, I used a large cohort of more than 1000 sequenced natural S. cerevisiae strains to provide a species-wide overview of CLS variability. Longevity was measured in different environments, including calorie restriction (CR), a natural intervention known to increase lifespan, and in the presence of rapamycin (RM), a drug that mimics CR by downregulating the TOR pathway. Unicellular microorganisms spend most of their lifetime in harsh restricted environments interrupted by short windows of growth, making CLS an important and likely adaptive trait. I found that wild strains subjected to CLS tend to trigger the meiotic developmental process leading to the formation of gametes wrapped into a very resistant cell wall. In contrast, domesticated strains tend to enter quiescence state when starved and display a tremendous variability in their survival capacity. Moreover, using both candidate gene approach and genome-wide association studies (GWAS), I demonstrated that variability in CLS is determined by a full spectrum of genetic variant that include gene presence/absence, copy number variation, non-synonymous SNPs and loss of function. All these genetic features were strongly regulated by the environment. In the second part, I performed linkage analysis using 1056 diploid segregants derived from a two parent advanced intercross. These 1056 diploid segregants were phenotyped for CLS to map quantitative trait loci (QTLs). The CLS was measured in complete media, CR and RM environments across multiple time points. I mapped 30 distinct QTLs, with some shared across different environments and time points, while others were unique to a specific condition. The two major effect size QTLs were linked with natural variation in the cell wall glycoproteins FLO11 and HPF1, previously unknown to regulate CLS. Interestingly, both genes presented massive intragenic tandem repeat expansions in one of the founder strain used in the crossing scheme. While the short versions of FLO11 and HPF1 alleles did not impact CLS, tandem repeat expansions within those genes were sufficient to confer a dominant detrimental effect that was partially buffered by rapamycin treatment. Further investigation revealed that the extended form of HPF1 makes cells floating during exponential phase, exposing them to higher oxygen rates, and leading to perturbation of redox homeostasis, activation of misfolded protein response, and alteration of multiple genes involved in methionine, ribosome and lipid biosynthesis, eventually contributing to CLS shortening. Taken together, my work provided an unprecedented overview of natural variation in CLS in a genetic model system and revealed multiple genetic and environmental factors that shape the species phenotypic variation.

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Selon l’Association Internationale pour l’Étude de la Douleur, la douleur neuropathique est causée par « une lésion ou une maladie du système somatosensoriel ». Actuellement, il n’existe pas de test permettant de la diagnostiquer avec certitude. En médecine humaine, les suspicions cliniques reposent essentiellement sur les caractéristiques de la douleur perçue par le patient. En effet, le mélange de douleurs lancinantes et fulgurantes souvent de très forte intensité, et les termes utilisés pour les décrire, permettent de poser un diagnostic présomptif. En revanche, chez les personnes non-communicantes ainsi que chez nos patients en médecine vétérinaire, la douleur neuropathique devient extrêmement difficile à déceler. Elle pose aussi un problème éthique puisque ces douleurs sont souvent qualifiées d’insoutenables et sont notoirement réfractaires aux traitements analgésiques conventionnels. Faute de données spécifiques, le Conseil sur la douleur de l’Association internationale des vétérinaires pour les animaux de compagnie (WSAVA Global Pain Council) base ses recommandations thérapeutiques sur des succès anecdotiques relevés dans des rapports de cas ou des données tirées de la médecine humaine. Notre étude s’articulait autour de trois objectifs principaux : 1) Évaluer la fiabilité et la faisabilité des tests proposés pour explorer les profils somatosensoriels chez des chiens de propriétaires, incluant une nouvelle méthode dynamique permettant d’évaluer le système endogène de modulation de la douleur ; 2) Identifier une population de chiens de propriétaires présentant de la douleur neurologique chronique à composante neuropathique d’apparition spontanée, en se basant sur les recommandations données en médecine humaine, et caractériser la douleur neuropathique dans ce groupe, en comparant les profils somatosensoriels et les concentrations en cytokines inflammatoires de ces chiens avec ceux d’un groupe contrôle ; 3) Suivre l’évolution des profils somatosensoriels, des concentrations en cytokines inflammatoires et des scores de douleur/qualité de vie des chiens neuropathiques enrôlés dans un essai clinique croisé prospectif, partiellement masqué et randomisé, afin d’évaluer les effets du placebo, du gabapentin seul ou administré en combinaison avec le méloxicam sur ces paramètres. Nos hypothèses étaient que la méthodologie proposée serait fiable et faisable pour évaluer les profils somatosensoriels chez les chiens de propriétaires, et que la population de chiens souffrant de douleur neuropathique diffèrerait du groupe contrôle par leurs concentrations en cytokines inflammatoires, leurs seuils nociceptifs et leur capacité à moduler la douleur après application d’un stimulus conditionnant. Enfin, il était attendu que les traitements actifs (gabapentin et gabapentin-méloxicam) altèreraient les profils somatosensoriels, les scores de douleur/qualité de vie et les concentrations en cytokines inflammatoires des patients neuropathiques. Les tests quantitatifs sensoriels retenus pour évaluer la population de chiens neuropathiques dans la seconde partie du projet (stimulations mécanique et électrique) étaient fiables, faciles à réaliser et bien tolérés. L’évaluation du système inhibiteur descendant induit par les stimulations nociceptives (système endogène de modulation de la douleur; DNIC) a permis de mettre en évidence une dysfonction de la capacité de modulation de la douleur chez les chiens neuropathiques. L’administration de gabapentin combiné ou non avec le méloxicam a eu pour effet de « normaliser » les profils somatosensoriels dynamiques (augmentation du nombre de chiens présentant une inhibition après l’application d’un stimulus conditionnant). Les scores de douleur/qualité de vie ont évolué en faveur d’une amélioration avec l’administration de gabapentin seul ou en combinaison avec le méloxicam. Les concentrations en cytokines inflammatoires et les profils somatosensoriels statiques (les seuils nociceptifs), quant à eux, n’étaient pas différents entre les groupes et n’ont pas significativement varié avec les traitements étudiés. À travers ces études, nous avons présenté de nouvelles techniques de QST fiables et faisable chez le chien. Nous avons également montré que l’évaluation du DNIC est possible dans l’espèce canine, et que les chiens présentant une douleur chronique à composante neuropathique ont un DNIC déficient. L’évaluation des profils somatosensoriels dynamiques et des scores de douleur/qualité de vie supportent l’utilisation du gabapentin seul ou en combinaison avec le méloxicam pour le traitement médical de la douleur neuropathique chez le chien, tel que recommandé par les spécialistes du WSAVA. / According to the International Association for the Study of Pain, neuropathic pain is caused by "a lesion or a disease of the somatosensory system". Currently, there is no definitive test available to diagnose neuropathic pain. In humans, the presumptive diagnosis is essentially based on the characteristics of the pain perceived by the patient. In non-communicative individuals, on the other hand, just like in our patients in veterinary medicine, the diagnosis of neuropathic pain is difficult and poses an ethical problem because this type of pain is often qualified as unbearable and known to be refractory to conventional therapies. In the absence of specific data, the Global Pain Council of World Small Animal Veterinary Association (WSAVA) based its treatment recommendations of neuropathic pain on anecdotal veterinary reports, case reports or data from human medicine. This PhD program had three main objectives: 1) To assess the reliability and feasibility of the tests proposed to explore the somatosensory profiles in client-owned dogs, including a method to assess the descending noxious inhibitory controls; 2) To identify a population of client-owned dogs with naturally-occurring neuropathic pain, based on the recommendations from human medicine ; and to characterize neuropathic pain in this group, by comparing the somatosensory profiles and the serum levels of inflammatory cytokines of these dogs with those of a control group; 3) To determine the effects of placebo, gabapentin alone or in combination with meloxicam on the somatosensory profiles, concentrations of inflammatory cytokines and pain scores of dogs with naturally-occurring neuropathic pain managed medically, in a prospective, partially masked and randomized crossover clinical trial. Our hypotheses were that the proposed methodology would be feasible and reliable, allowing to assess somatosensory profiles of client-owned dogs, and that dogs with neuropathic pain would differ from the control group in their serum concentrations of inflammatory cytokines, their nociceptive thresholds and their ability to modulate pain after the application of a conditioning stimulus. Gabapentin and gabapentin-meloxicam would change somatosensory profiles, pain scores and serum concentrations of inflammatory cytokines of dogs with neuropathic pain. 7 The quantitative sensory tests (electrical and mechanical stimulations) were easy to perform, well tolerated and reliable. The evaluation of the diffuse noxious inhibitory control (endogenous pain modulation system; DNIC) revealed a dysfunction of the pain modulation capacity in neuropathic dogs. Administration of gabapentin with or without meloxicam had a "normalizing" effect on the dynamic somatosensory profiles (increase in the number of dogs showing inhibition after application of a conditioning stimulus). Pain / quality of life scores improved after gabapentin alone or in combination with meloxicam. On the other hand, serum concentrations of inflammatory cytokines and static somatosensory profiles (nociceptive thresholds) were not different between groups and did not vary significantly with treatments. Through these studies, we have presented new reliable and feasible QST techniques in dogs. We have also shown that the evaluation of the DNIC is possible in the canine species, and that dogs with chronic pain with a neuropathic component have a deficient DNIC. The assessment of the dynamic somatosensory profiles and pain / quality of life scores support the use of gabapentin alone or in combination with meloxicam for the medical management of neuropathic pain in dogs, as recommended by WSAVA specialists.