Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’angioplastie coronaire est la première forme de revascularisation coronaire. Elle présente cependant 2 limites qui restreignent encore son utilisation : la thrombose et la resténose de stent. La thrombose de stent est un événement précoce associé à une mortalité élevée. Les plaquettes y jouent un rôle déterminant. Le développement de tests fonctionnels plaquettaires permettant d’analyser le niveau de réactivité plaquettaire sous traitement a permis de mettre en évidence les limites de celui-ci sur le plan biologique. Nous avons démontré l’impact clinique de l’utilisation de ces tests dans la prédiction et la réduction du risque de thrombose de stent chez des patients traités par angioplastie coronaire. La resténose est quant à elle une complication tardive de l’angioplastie coronaire avec implantation d’un stent non-actif. Sa physiopathologie repose sur des mécanismes de lésion et de régénération endothéliale. Des marqueurs endothéliaux circulants ont récemment été développés. Nous avons montré qu’ils pouvaient permettre d’évaluer la lésion et la régénération endothéliale induite par une angioplastie coronaire. Les cellules endothéliales circulantes s’élèvent transitoirement après l’angioplastie et ce de façon variable en fonction de la réactivité plaquettaire sous traitement démontrant les interactions étroites entre ces différents acteurs. Dans le même temps, on observe une mobilisation de progéniteurs d’origine médullaire suite à l’angioplastie. Nos travaux suggèrent un rôle clé de la régénération endothéliale dans la cicatrisation vasculaire après angioplastie. En effet, il apparait que la proportion de progéniteurs de profil de différenciation endothélial en réponse à l’angioplastie coronaire détermine la survenue d’une resténose intra-stent. Ces données ouvrent la voie à une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologie menant à la resténose mais aussi à des perspectives thérapeutiques intéressantes. / Percutaneous coronary intervention is the most commonly used revascularization technique. However it has 2 main complications limiting its widespread: stent thrombosis and in stent restenosis. Stent thrombosis is an early event associated with a high mortality rate. Platelets are key in its physiopathology. The availability of platelet function tests allowing to determine platelet reactivity levels under therapy showed a variable ant platelet effect following aspirin and clopidogrel intake. We further demonstrated that tailoring anti platelet therapy according to platelet function tests results decrease the rate of stent thrombosis following PCI without increasing bleedings. In stent-restenosis is a late complication of PCI with bare metal stents. The pathophysiology of in-stent restenosis is dependent on the lesion and regeneration of the endothelium. Circulating endothelial biomarkers have recently been developed. We have demonstrated that this marker allow to evaluate the lesion and regeneration of the endothelium following PCI. We evidenced a transient increase in circulating endothelial cells following PCI which is dependent on the level of platelet reactivity inhibition demonstrating the interaction between platelets and the endothelium. At the same time, PCI induces mobilization of progenitor cells which is detectable early after the intervention. Our work suggests that these progenitor cells have a key role in endothelial regeneration after PCI. We evidenced for the first time that the proportion of endothelial progenitor cells among progenitor cells mobilized after PCI determine the occurrence of in stent restenosis. Altogether these data give critical inside into vascular regeneration after PCI in human and on the mechanisms associated with in stent restenosis thus providing new potential therapeutic target.

La chirurgie informatisée est une science nouvelle dont le but est de croiser la chirurgie avec les sciences de l’informatique afin d’aboutir à des améliorations significatives dans les deux domaines. Avec l’évolution des nouvelles techniques chirurgicales, une collaboration étroite entre chirurgiens et chercheurs est devenue à la fois inévitable et essentielle à l’optimisation des soins chirurgicaux. L’utilisation de modèles mathématiques est la pierre angulaire de ce nouveau domaine. Cette thèse démontre comment une approche systématique d’un problème clinique nous a amenés à répondre à des questions ouvertes dans le domaine chirurgical en utilisant des modèles mathématiques à grande échelle. De manière générale, notre approche inclut (i) une vision générale du problème, (ii) le ciblage du/des système(s) physiologique(s) à étudier pour y répondre, et (iii) un effort de modélisation mathématique, qui a toujours été poussé par la recherche d’un compromis entre complexité du système étudié et réalité physiologique. Nous avons consacré la première partie de cette thèse à l’optimisation des conditions limites à appliquer à un bio-réacteur utilisé pour démultiplier le tissu pulmonaire provenant d’un donneur. Un modèle géométrique de l’arbre trachéo-bronchique couplé à un modèle de dépôt de soluté nous a permis de déterminer l’ensemble des pressions à appliquer aux pompes servant le bio-réacteur afin d’obtenir une distribution optimale des nutriments à travers les cultures de tissus. Nous avons consacré la seconde partie de cette thèse au problème de resténose des greffes de veines utilisées pour contourner une occlusion artérielle. Nous avons reproduit l’apparition de resténose grâce à plusieurs modèles mathématiques qui permettent d’étudier les preuves cliniques et de tester des hypothèses cliniques avec un niveau croissant de complexité et de précision. Pour finir, nous avons développé un cadre de travail robuste pour tester les effets des thérapies géniques afin de limiter la resténose. Une découverte intéressante a été de constater qu’en contrôlant un groupe de gènes spécifique, la perméabilité à la lumière double après un mois de suivi. Grace aux résultats obtenus, nous avons démontré que la modélisation mathématique peut servir de puissant outil pour l’innovation chirurgicale. / Computational surgery is a new science that aims to intersect surgery and computational sciences in order to bring significant improvements in both fields. With the evolution of new surgical techniques, a close collaboration between surgeons and computational scientists became unavoidable and also essential to optimize surgical care. A large usage of mathematical models is the cornerstone in this new field. The present thesis shows how a systematic approach to a clinical problem brought us to answer open questions in the field of surgery by using mathematical models on a large scale. In general, our approach includes (i) an overview of the problem, (ii) the individuation of which physiological system/s is/are to be studied to address the question, and (iii) a mathematical modeling effort, which has been always driven by the pursue of a compromise between system complexity and closeness to the physiological reality. In the first part, we focused on the optimization of the boundary conditions to be applied to a bioreactor used to re-populate lung tissue from donor. A geometrical model of tracheobronchial tree combined with a solute deposition model allowed us to retrieve the set of pressures to be applied to the pumps serving the bioreactor in order to reach an optimal distribution of nourishment across the lung scaffold. In the second part, we focused on the issue of post-surgical restenosis of vein grafts used to bypass arterial occlusions. We replicated the event of restenosis with several mathematical models that allow us to study the clinical evidences and to test hypothesis with an escalating level of complexity and accuracy. Finally, we developed a solid framework to test the effect of gene therapies aimed to limit the restenosis. Interestingly, we found that by controlling a specific group of genes, the lumen patency is double after a month of follow-up. With the results achieved, we proved how mathematical modeling can be used as a powerful tool for surgical innovation.

La prise en charge en urgence des pathologies ischémiques repose dans un premier temps sur la thrombolyse et/ou l’angioplastie puis dans un second temps sur des mesures hygiéno-diététiques. L’angioplastie consiste en la destruction de l’obstacle situé dans l’artère et elle est souvent suivie (dans 70 % des cas) par la pose d’une endoprothèse ou stent afin que le vaisseau lésé retrouve son diamètre. Malgré des innovations thérapeutiques (stents libérant des principes actifs), des problèmes de thrombose et de resténose au niveau du site lésé sont observés. Or, le monoxyde d’azote, NO, un gazotransmetteur de l’organisme, possède des propriétés intéressantes (antiagrégant plaquettaire, effet de recrutement des cellules endothéliales, effet antiprolifératif sur les cellules musculaires lisses) pour lutter contre ce phénomène, à concentration physiologique. Dans ce travail, nous avons développé une formulation innovante pouvant recouvrir un stent et étant capable de délivrer du NO. Il s’agira d’incorporer des nanoparticules d’or caractérisées par une capacité de greffage par un donneur de NO (AuNP@RSNO) très importante au sein des couches d’un film constitué de polyélectrolytes (polycations et polyanions interagissant de façon électrostatique). Ici, les AuNP sont considérées comme une matière première pharmaceutique. Une méthode de dosage et un contrôle qualité de ces dernières ont donc été développés. Les films créés présentent une stabilité importante (> 1 an) et sont capables d’immobiliser un grand nombre d’AuNP (1012 AuNP/cm²/cycle). Pour augmenter le taux de chargement des AuNP au sein des films, l’optimisation de leur construction a été réalisée. Plusieurs polycations ont été testés (chlorhydrate de poly(allylamine), poly(éthylène glycol) et poly(méthacrylate d’ester)) ainsi que deux milieux de dissolution différents (tampon phosphate et tampon Tris, à pH et concentrations identiques). Le meilleur rapport stabilité/taux de chargement a été atteint avec l’utilisation du chlorhydrate de poly(allylamine) et le tampon Tris. Enfin, les films ont présenté une inertie face à des protéines, des cellules et du sang total. Le système développé représente donc une forme adaptée pour être déposé à la surface de stents / Emergency management of ischemic pathologies is initially based on thrombolysis and / or angioplasty and secondly on hygiene-dietetic measures. Angioplasty consists of the destruction of the obstacle located in the artery and is often followed (in 70% of cases) by placing a stent so that the damaged vessel regains its diameter. Despite therapeutic innovations (drug eluting stents), problems of thrombosis and restenosis in the injured site are often observed. However, nitric oxide, NO, has interesting properties (platelet antiaggregant, endothelial cell recruitment effect, antiproliferative effect on smooth muscle cells) against this phenomenon at physiological concentration. In this work, we developed an innovative formulation that can deposited on a stent and that will be able to deliver NO. AuNP grafted with a high density of NO donors (AuNP@RSNO) will be incorporated in layer-by-layer films composed of polyelectrolytes (electrostatic interactions between polycations and polyanions) Here AuNPs are considered as a pharmaceutical raw material. A quantification method and a quality control of them were therefore developed. Created films created showed an important stability (> 1 year) and were able to immobilize a large number of AuNP (1012 AuNP/cm²/cycle). In order to increase the loading rate of AuNP films, optimization of their construction was carried out. Several polycations were tested (poly (allylamine hydrochloride), poly (ethylene glycol) and poly (methacrylate ester)) as well as two different dissolution media (phosphate buffer and Tris buffer, same pH and concentrations). The best stability/loading ratio was achieved with the use of poly (allylamine) hydrochloride and Tris buffer. Finally, the films showed inertness when they were exposed to proteins, cells and whole blood. The developed system is therefore well suited to be deposited on the surface of stents