Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 138.

La circulation du flux sanguin à sens unique dans le système cardiovasculaire des vertébrés est assurée par les valves cardiaques. Leur formation est très contrôlée au cours du développement embryonnaire. Cependant, il arrive que celle-ci soit défectueuse, et donc à l’origine de maladies cardiaques congénitales. Ces maladies représentent une des causes majeures de décès à la naissance. L’étude de la formation des valves cardiaques constitue donc un champ de recherche majeur. Dans cette thèse, nous avons utilisé le poisson zèbre, comme animal d’étude modèle pour étudier la formation des valves atrio-ventriculaires. Les forces mécaniques générées par le flux sanguin constituent un signal modulant le programme génétique valvulaire. Elles initient la formation des valves en contraignant l’expression du facteur de transcription, Klf2a, à un groupe de cellules endothéliales du canal atrio-ventriculaire. Nos travaux ont démontré l’activation d’un autre facteur, Egr1, dans cette même région dans le même lapse de temps. Notre étude a cherché à élucider le réseau génétique impliquant klf2a, son paralogue klf2b, et egr1 en combinant une analyse pangénomique de l’expression génique et des sites accessibles de la chromatine avec une approche d’imagerie haute résolution in vivo. Nous avons déterminé les interactions entre ces facteurs et les réseaux qu’ils régulent. Cette étude a finalement démontré qu’egr1, klf2a/klf2b modulent la morphogénèse des valves cardiaques en contrôlant en particulier flt1, has2 et wnt9b. / Cardiac valves are necessary for maintaining a unidirectional blood flow in the cardiovascular system of vertebrates. Their efficient gating function requires a highly controlled developmental program. However, this program may be impaired and thus leading to defective valves. In fact, congenital heart valve diseases represent the most common form of birth defects. Therefore, cardiac valve development studies constitute a challenging research field. In this thesis, we used the zebrafish as a model organism for studying the formation of atrioventricular valves. To date, it is known that mechanical forces generated by blood flow constitute key modulators dictating valve formation. In particular, they initiate valvulogenesis by restricting the expression of the transcription factor Klf2a in a subset of endocardial cells of the atrio-ventricular canal. Our work demonstrated the activation of another transcription factor, Egr1, in this same region and within the same time window. We aimed at deciphering the mechanosentitive gene network involving klf2a, its paralog klf2b as well as egr1, by combining genome-wide analysis of gene expression and chromatin accessibility with live imaging. We addressed the potential interactions of these factors and studied their downstream signalling pathways. Finally, we demonstrated that egr1, klf2a/klf2b modulates valve morphogenesis by specifically controlling flt1, has2 and wnt9b expression.

Les prothèses valvulaires cardiaques actuellement commercialisées présentent des inconvénients importants. Les prothèses biologiques (xéno ou allo greffes) sont soumises à une dégénérescence progressive, et les prothèses mécaniques nécessitent un traitement anticoagulant à vie. Des perspectives nouvelles sont apparues avec l'ingénierie tissulaire, dont le but est de créer à partir d'un support non cellularisé (matrice biodégradable de polymère de glycogène, ou xénogreffe décellularisée) un substitut valvulaire « vivant » offrant une meilleur longévité et des performances hémodynamiques optimales, ainsi que des capacités de remodelage et de croissance. Nous avons élaboré un modèle de xénogreffe porcine décellularise implanté en position systémique puis pulmonaire chez un agneau et testé plusieurs modes de recolonisation de cette matrice, par différents types de cellules. La spécificité de notre projet était de tester in vivo la possibilité de recolonisation de matrices valvulaires par des cellules autologues de moelle osseuse, les valves obtenues étant soumises à des forces mécaniques supposées être responsables de la recolonisation cellulaire et de la régénération de la matrice extra-cellulaire. La première étape a été l'optimisation d'un processus de décellularisation. Nous avons retenu un protocole combinant les effets de solutions hypotoniques et d'un détergent anionique, le sodium dodecyl sulfate. L'étape suivante a été de tester les propriétés mécaniques d'une valve xénogénique décellularisée dans un modèle ovin (qui est le modèle de référence en pathologie valvulaire cardiaque), en flux artériel systémique. Une matrice valvulaire porcine a été implantée dans une aorte thoracique descendante chez 6 agneaux. Ses propriétés mécaniques en contrainte systémique étaient bonnes, sans rupture ni dilatation anévrismale, 2 à 16 semaines après l'implantation. Nous avons ensuite testé la possibilité de colonisation de cette valve xénogénique décellularisée porcine par des cellules souches endogènes stimulées par l'injection de granulocyte-Colony Stimulating Factor (G-CSF). Ce montage a été implanté chez 6 agneaux puis une évaluation hémodynamique, macroscopique et histologique a été réalisée à 3, 6, 8 et 16 semaines. Alors que le G-CSF recombinant humain induisait une croissance significative du nombre de globules blancs périphériques chez l'agneau, l'effet sur la valve était délétère, et induisait des réactions inflammatoires et de fibrose ressemblant à un rejet de greffe après 16 semaines. Nous avons ensuite testé les propriétés mécaniques de cette valve après son implantation dans l'artère pulmonaire sous circulation extra-corporelle, ainsi que l'effet de l'injection in situ de cellules autologues mononucléées médullaires (CMM) juste avant l'implantation chirurgicale. Ces valves pulmonaires porcines décellularisées ont été implantées chez 15 agneaux. Chez 9 animaux, des CMM autologues ont été injectées dans la valve immédiatement avant son implantation (groupe CMM), et chez 6 animaux, aucune injection cellulaire n'était réalisée (groupe contrôle). Un suivi de 16 semaines était réalisé comprenant l'étude fonctionnelle de la valve (échographique et angiographique) ainsi qu'une étude histologique. Les évaluations échographiques ne montraient aucune régurgitation dans chacun des 2 groupes et les index de perméabilité valvulaire étaient similaires. Les études histologiques montraient une prolifération myointimale plus importante et des dépôts calciques étaient mis en évidence dans le groupe contrôle par rapport au groupe CMM. Toutes les valves étaient recouvertes d'une monocouche de cellules endothéliales. Cependant chez 2 animaux une infiltration inflammatoire importante était retrouvée dans l'adventice. Ces résultats suggéraient que l'injection in situ de cellules autologues médullaires pouvait réduire la détérioration de valves xénogéniques décellularisées, mais également dans des circonstances inconnues favoriser des réactions inflammatoires locales Nous avons alors supposé que l'injection in situ d'une sous-population de CMM, les cellules souches mésenchymateuses (CSM) pouvaient promouvoir in vivo la recolonisation de nos substituts valvulaire sans entraîner de risque d'augmentation des réactions inflammatoires locales. Nous avons prélevé des CCM autologues 7 jours avant l'implantation chirurgicale. De cet échantillon, des cellules souches mésenchymateuses (CSM) ont été isolées par une culture cellulaire spécifique. Les valves porcines décellularisées ont été implantées dans l'artère pulmonaire sous circulation extra-corporelle chez l'agneau, ayant été au préalable injectées soit de CMM (n=7), soit de CSM (n=7). L'évaluation fonctionnelle des valves a été réalisée après 16 semaines par échographie, les valves ont été explantées en vue de leur analyse macroscopique et histologique. Après 4 mois, les gradients moyens transvalvulaires et distaux étaient significativement plus bas dans le groupe avec CSM que dans le groupe CMM. L'index de perméabilité était également significativement plus élevé dans le groupe CSM que dans le groupe CMM.. L'examen histologique montrait également que la disposition de la matrice et la colonisation cellulaire était plus proche de celle de valve native dans le groupe CSM que dans le groupe CMM.

La CgA est une pro-hormone stockée dans les granules de sécrétion et elle subit une maturation protéolytique conduisant à la formation d’un très grand nombre de peptides dérivés. La Chromofungine (Chr: CgA47-66) et la Cateslytine (Ctl: CgA344–358) possèdent des propriétés antimicrobiennes. Staphylococcus aureus est un pathogène très virulent qui provoque un très grand nombre de graves infections cliniques et il représente une des causes principales des infections nosocomiales et la destruction du tissu endocardiaque après implantation de valve cardiaque. La première partie de l’étude nous avons montré que la Chr induise un effet inotropique négatif sans changement de la pression coronarienne. L’activation de la voie de signalisation AKT/eNOS/cGMP/PKG est responsable de cet effet de Chr. Nous avons aussi montré que Chr agit comme un agent de post-conditionnement contre les effets négatifs de l’ischémie/reperfusion, a responsables de cette cardio-protection impliquent les cascades de signalisation PI3K, RISK, MitoKATP et miRNA-21. Dans le but d’élaborer un nouveau revêtement de valves cardiaques le peptide D*T*Ctl se révèle intéressant dans des conditions non oxydantes car (1) il présente une activité antimicrobienne contre S. aureus; (2) en présence de S. aureus il permet par clivage protéolytique de libérer le peptide Ctl actif. Une première expérience réalisée in vivo a montré le rôle de Ctl pour combattre l’infection à S. aureus au niveau systémique et au niveau cardiaque, mais aussi assurer la protection du myocarde. / CgA is a pro-hormone costored in secretory granules and numerous cleavage products of this protein have been identified. Chromofungin (Chr: CgA47-66) and Cateslytin (Ctl: CgA344–358) are peptides that display antimicrobial activities.Staphylococcus aureus is an opportunistic pathogen and the leading cause of a wide range of severe clinical infections and one of the most important cause of hospital-acquired infections and leading infective cause of destruction of endocardial tissue after implantation of prosthetic heart valve. The first part of the study, we found that Chr induced negative inotropic effects without changing coronary pressure. The AKT/eNOS/cGMP/PKG pathway mediated this action. We also found that Chr acted as a postconditioning agent against ischemia/reperfusion damages. Cardioprotection involved PI3K, RISK pathway, MitoKATPand miRNA-21. In order to develop a new coating of cardiac valves, the peptide D*T *Ctl proves to be useful under non-oxidizing conditions because (1) it exhibits antimicrobial activity against S. aureus; (2) in the presence of S. aureus, it allows proteolytic cleavage to release the active Ct1 peptide.In the last part of this thesis we showed in vivo the antibacterial role of Ctl against S. aureus infection at the systemic and cardiac levels, but also its cardioprotective action.

L'objectif de cette thèse est l'élaboration et l'application de traitements d'images pour permettre une étude objective et fiable des sinus de Valsalva, importantes cavités de la base de l'aorte. Les méthodes proposées s'appliquent aux séquences ciné-IRM et aux examens de scanner sans qu'il n'y ait à modifier le paramétrage entre deux examens. Pour cela, nous avons d'abord étudié la morphologie de cette zone anatomique puis détaillé les différentes propriétés communes à toutes les images de sinus. Ceux-ci font en l'occurrence partie des principaux organes clairs et peu mobiles. Nous avons donc développé un algorithme qui détecte ces éléments et caractérise chacun d'entre eux par une trajectoire unique. Divers outils de morphologie mathématique ont été utilisés à cette occasion, tout comme pour l'extraction du contour des sinus dans chaque image. L'étape de segmentation repose elle sur la reconstruction géodésique, qui s'avère plus efficace et surtout plus robuste que l'usage de contours actifs usuels. L'intérieur des sinus forme un domaine simplement connexe et étoilé. Grâce à ce postulat, nous avons conçu une nouvelle reconstruction, nommée transformée en aurore, qui limite la propagation des intensités aux supports radiaux et présente les résultats dans un repère polaire pour une meilleure lecture des contours.Les points caractéristiques des sinus ont également été détectés, par étude de rayons et détermination de points dominants. Ces points fournissent les éléments nécessaires à une mesure automatique des sinus, mesure cohérente avec les mesures actuellement réalisées manuellement et les variations intra et inter-observateurs de celles-ci. D'autres outils sont enfin esquissés pour modéliser le contour par coniques, classer les images d'examens cinétiques en fonction du moment du cycle et suivre le mouvement des valves dans ces mêmes examens.L'ensemble de ces travaux ont amené à la réalisation d'un logiciel d'aide au diagnostic qui intègre nos méthodes et dont l'interface est également présentée dans le présent mémoire.

Dans cette thèse, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) dans le système cardiovasculaire. Nous considérons en particulier l'interaction mécanique du sang avec la paroi des grosses artères, avec des valves cardiaques et avec le myocarde. Dans les algorithmes IFS partitionnés, le couplage entre le fluide et la structure peut être imposé de manière implicite, semi-implicite ou explicite. Dans la première partie de cette thèse, nous faisons l'analyse de convergence d'un algorithme de projection semi-implicite. Puis, nous proposons une nouvelle version de ce schéma qui possède de meilleures propriétés de stabilité. La modification repose sur un couplage Robin-Robin résultant d'une ré-interprétation de la formulation de Nitsche. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la simulation de valves cardiaques. Nous proposons une stratégie partionnée permettant la prise en compte du contact entre plusieurs structures immergées dans un fluide. Nous explorons également l'utilisation d'une technique de post-traitement récente, basée sur la notion de structures Lagrangiennes cohérentes, pour analyser qualitativement l'hémodynamique complexe en aval des valves aortiques. Dans la dernière partie, nous proposons un modèle original de valves cardiaques. Ce modèle simplifié offre un compromis entre les approches 0D classiques et les simulations complexes d'interaction fluide-structure 3D. Diverses simulations numériques sont présentées pour illustrer l'efficacité et la robustesse de ce modèle, qui permet d'envisager des simulations réalistes de l'hémodynamique cardiaque, à un coût de calcul modéré.

Résumé - Les données concernant la prise en charge chirurgicale de la maladie tricuspidienne reposent sur des études de cohortes à petite échelle et peu d’entre elles se sont intéressées aux résultats échocardiographiques et aux facteurs de risque de mortalité et de morbidité. Une étude de cohorte rétrospective descriptive et analytique fut effectuée pour analyser l’expérience de l’Institut de Cardiologie de Montréal concernant la chirurgie de la VT. Les données ont été récoltées à l’aide des dossiers médicaux. Durant la période 1977-2008, 792 PVT et 134 RVT furent effectués (âge médian : 62 ans). La mortalité opératoire était de 13,8%. Les taux de survie actuarielle à 5, à 10 et à 15 ans étaient respectivement de 67±2%, de 47±2% et de 29±2%. Au dernier suivi, de l’IT ≥3/4 était présente chez 31% des patients du groupe PVT et chez 12% des patients du groupe RVT (p<0,001). La classe fonctionnelle NYHA s’est améliorée significativement au dernier suivi par rapport à la période pré-opératoire (p<0,001). L’analyse de propension montre que par rapport à une PVT, un RVT est associé significativement à des taux de mortalité opératoire et tardive accrus, mais à moins d’IT ≥2/4 ou ≥3/4 lors du suivi. Cette étude montre que malgré le risque chirurgical substantiel associé à la chirurgie de la VT, les patients bénéficient d’une amélioration fonctionnelle significative. Les facteurs de risque de mortalité et de morbidité sont décrits et des études de sous-groupes sur la chirurgie tri-valvulaire et la chirurgie isolée de la VT sont exposées. / Abstract - Data regarding surgical management of tricuspid valve disease are based on small cohort studies, and only few of them report echocardiographic results or risk factors for mortality and morbidity. A retrospective descriptive and analytic cohort study was performed in order to analyze the Montreal Heart Institute experience regarding tricuspid valve surgery. Data was extracted from the medical files of patients. During the 1977-2008 period, 792 tricuspid valve repairs and 134 tricuspid valve replacements were performed (median age of patients: 62 years). Operative mortality was 13.8%. Actuarial survival rates at 5, 10, and 15 years were 67±2%, 47±2%, and 29±2%, respectively. At last follow-up, 31% of patients who underwent repair and 12% of patients who underwent replacement had tricuspid regurgitation ≥3/4 (p<0,001). NYHA functional class improved significantly at last follow-up compared to baseline (p<0,001). Propensity score analysis showed that a replacement was associated with increased operative and late mortality rates compared to repair, but with less tricuspid regurgitation ≥2/4 or ≥3/4 at follow-up. The study shows that despite substantial mortality rates, patients experience a significant functional improvement following tricuspid valve surgery. Risk factors for mortality and morbidity are described, and sub-group analyses for triple valve surgery and for isolated tricuspid valve surgery are exposed.

L'objectif de cette thèse est l'élaboration et l'application de traitements d'images pour permettre une étude objective et fiable des sinus de Valsalva, importantes cavités de la base de l'aorte. Les méthodes proposées s'appliquent aux séquences ciné-IRM et aux examens de scanner sans qu'il n'y ait à modifier le paramétrage entre deux examens. Pour cela, nous avons d'abord étudié la morphologie de cette zone anatomique puis détaillé les différentes propriétés communes à toutes les images de sinus. Ceux-ci font en l'occurrence partie des principaux organes clairs et peu mobiles. Nous avons donc développé un algorithme qui détecte ces éléments et caractérise chacun d'entre eux par une trajectoire unique. Divers outils de morphologie mathématique ont été utilisés à cette occasion, tout comme pour l'extraction du contour des sinus dans chaque image. L'étape de segmentation repose elle sur la reconstruction géodésique, qui s'avère plus efficace et surtout plus robuste que l'usage de contours actifs usuels. L'intérieur des sinus forme un domaine simplement connexe et étoilé. Grâce à ce postulat, nous avons conçu une nouvelle reconstruction, nommée transformée en aurore, qui limite la propagation des intensités aux supports radiaux et présente les résultats dans un repère polaire pour une meilleure lecture des contours.Les points caractéristiques des sinus ont également été détectés, par étude de rayons et détermination de points dominants. Ces points fournissent les éléments nécessaires à une mesure automatique des sinus, mesure cohérente avec les mesures actuellement réalisées manuellement et les variations intra et inter-observateurs de celles-ci. D'autres outils sont enfin esquissés pour modéliser le contour par coniques, classer les images d'examens cinétiques en fonction du moment du cycle et suivre le mouvement des valves dans ces mêmes examens.L'ensemble de ces travaux ont amené à la réalisation d'un logiciel d'aide au diagnostic qui intègre nos méthodes et dont l'interface est également présentée dans le présent mémoire. / This Phd thesis deals with the design and the use of image processing tools in order to allow a reliable and objective study of the sinuses of Valsalva which are important cavities of the aortic root. The proposed methods can be applied on cine-MR sequences and CT examinations without any change in the settings between two examinations.Firstly, we studied the morphology of this anatomical area and its constant properties in all images of the dataset. Sinuses are one of the main bright organs with limited movements. Hence a new algorithm has been designed. It detects and characterizes each bright organ by a single trajectory. Various tools of mathematical morphology are used for this step, as for the extraction of the contour of the sinuses in each image.The segmentation step is based on the geodesic reconstruction, which is more effective and more robust than the usual active contours. The shape depicting the sinuses is simply connected and a star domain. With this assumption, a new reconstruction is proposed, called the Aurora transform. This transform limits the spread of intensities only on the radial lines and shows its results in a polar space for a better reading of edges.The relevant points of the sinuses are also detected by a study of radii and the determination of dominant points along edges. An automatic measurement of the sinuses is deduced from these points. The values are very close to the manual measures currently done according to the intra-and inter-observer variations.Some other tools are finally outlined. They includes the modeling of edges by conics, the image classification depending on the time of the cycle in sequences and the tracking of the aortic valves in these examinations.This work led to the devlopement of a diagnostic aid software based on our methods. Its interface is also presented herein.

Résumé - Les données concernant la prise en charge chirurgicale de la maladie tricuspidienne reposent sur des études de cohortes à petite échelle et peu d’entre elles se sont intéressées aux résultats échocardiographiques et aux facteurs de risque de mortalité et de morbidité. Une étude de cohorte rétrospective descriptive et analytique fut effectuée pour analyser l’expérience de l’Institut de Cardiologie de Montréal concernant la chirurgie de la VT. Les données ont été récoltées à l’aide des dossiers médicaux. Durant la période 1977-2008, 792 PVT et 134 RVT furent effectués (âge médian : 62 ans). La mortalité opératoire était de 13,8%. Les taux de survie actuarielle à 5, à 10 et à 15 ans étaient respectivement de 67±2%, de 47±2% et de 29±2%. Au dernier suivi, de l’IT ≥3/4 était présente chez 31% des patients du groupe PVT et chez 12% des patients du groupe RVT (p<0,001). La classe fonctionnelle NYHA s’est améliorée significativement au dernier suivi par rapport à la période pré-opératoire (p<0,001). L’analyse de propension montre que par rapport à une PVT, un RVT est associé significativement à des taux de mortalité opératoire et tardive accrus, mais à moins d’IT ≥2/4 ou ≥3/4 lors du suivi. Cette étude montre que malgré le risque chirurgical substantiel associé à la chirurgie de la VT, les patients bénéficient d’une amélioration fonctionnelle significative. Les facteurs de risque de mortalité et de morbidité sont décrits et des études de sous-groupes sur la chirurgie tri-valvulaire et la chirurgie isolée de la VT sont exposées. / Abstract - Data regarding surgical management of tricuspid valve disease are based on small cohort studies, and only few of them report echocardiographic results or risk factors for mortality and morbidity. A retrospective descriptive and analytic cohort study was performed in order to analyze the Montreal Heart Institute experience regarding tricuspid valve surgery. Data was extracted from the medical files of patients. During the 1977-2008 period, 792 tricuspid valve repairs and 134 tricuspid valve replacements were performed (median age of patients: 62 years). Operative mortality was 13.8%. Actuarial survival rates at 5, 10, and 15 years were 67±2%, 47±2%, and 29±2%, respectively. At last follow-up, 31% of patients who underwent repair and 12% of patients who underwent replacement had tricuspid regurgitation ≥3/4 (p<0,001). NYHA functional class improved significantly at last follow-up compared to baseline (p<0,001). Propensity score analysis showed that a replacement was associated with increased operative and late mortality rates compared to repair, but with less tricuspid regurgitation ≥2/4 or ≥3/4 at follow-up. The study shows that despite substantial mortality rates, patients experience a significant functional improvement following tricuspid valve surgery. Risk factors for mortality and morbidity are described, and sub-group analyses for triple valve surgery and for isolated tricuspid valve surgery are exposed.