Academic literature on the topic 'Vidéo-microscopie de fluorescence'

Cette thèse présente des méthodes d’analyse d’images numériques issues de la microscopie de fluorescente pour la biologie cellulaire. Elle s’intéresse essentiellement à la localisation et au suivi des complexes multimoléculaires dans les données multidimensionnelles (2D, 2D+t, 3D et 3D+t). Une première partie du travail est dédiée à l’extraction et la caractérisation de structures biologiques dans les images en utilisant des techniques de segmentation basées sur la décomposition en ondelettes. Plusieurs études biologiques réalisées en collaboration avec différentes équipes de recherche et exploitant directement ces outils sont présentées, comme par exemple l’étude de la morphométrie des organelles des cellules contraintes sur des micro-patterns et le travail sur la localisation de la protéine mid1p dans la levure. Dans une deuxième partie, il est présenté une méthode permettant de suivre dans le temps des molécules uniques ou des complexes multi moléculaires marqués. Elle permet la mise en correspondance des objets segmentés par minimisation des coûts d’association en utilisant la technique de recuit simulé. Cette méthode est bien adaptée à nombre de situations rencontrées en biologie cellulaire, car elle modélise de multiples comportements tels que l’apparition, la disparition ou la fusion et la dissociation. Une application au suivi de molécules uniques (ADN mono disperse 166kpb) est présentée dans le but d’étudier les variations de leur coefficient de diffusion. La troisième partie de cette thèse décrit un ensemble d’analyses appliquées à la caractérisation spatiale et temporelle des intermédiaires de transport du trafic membranaire marqués par les protéines chimériques GFP-Rab6A et GFP-Rab6A’. Plusieurs approches complémentaires sont exposées dans le but d’extraire un maximum d’informations quantitatives et de tenter une description des mécanismes biologiques sous-jacents
This thesis presents several approaches aiming to analyze fluorescence microscopy images in the field of cell biology. It is essentially focused on techniques for localization and tracking of multimolecular complexes in multidimensional data (2D, 2D+t, 3D and 3D+t). The first part of this work is dedicated to the extraction and characterization of fluorescent biological structures using wavelet based segmentation. Various biological studies performed in collaboration with various research groups are detailed, such as a study about morphometric analysis of organelles of cell constrained by micro patterns or the localization of the mid1p protein in yeasts. In a second part, a tracking algorithm of labeled molecular structures is presented. It is based on the linking over time of segmented objects by minimizing the association costs by a simulated annealing technique. This method is particularly well adapted in a lot of biological situations, because it allows modeling of many events like birth, death, fusion and fission. A single molecule (mono-disperse DNA 166kbp) dynamics analysis has been made using this tracking technique in order to extract the variations of the molecular diffusion coefficient. The third part describes a set of analyzes with the goal to study the spatial and temporal localization of transport intermediates involved in the membrane trafficking tagged by chimerical GFP-Rab6A and GFP-Rab6A’ proteins. Several complementary approaches are used to extract quantitative information and to describe the underneath biological processes

La maintenance de l'information génétique est essentielle pendant la prolifération cellulaire. Chez les bactéries, la réplication et la ségrégation sont concomitantes. La réplication débute à l'origine de réplication bidirectionnelle du chromosome bactérien. Deux bras de réplications sont ensuite définis, et la réplication se termine dans la région diamétralement opposée à l'origine, le terminus. Alors que la réplication progresse, les chromatides sœurs nouvellement répliquées migrent vers des côtés opposés de la cellule. Cependant, des observations par microscopie suggèrent qu'il existe un délai entre la réplication et la ségrégation qui varie le long du chromosome. Ce délai entre la réplication et ségrégation des chromatides sœurs est appelé cohésion des chromatides sœurs. Pendant ma thèse, j'ai utilisé l'outil de haute-résolution qui permet une analyse de la cohésion du génome entier (High-SC2) pour étudier le profil de cohésion de l'organisme modèle Vibrio cholerae. Il a été démontré chez E. coli que la cohésion responsable de la variation de la vitesse de ségrégation est modulée par Topoisomérase IV, une enzyme de décaténation majeure. L'un des partenaires identifiés de cette décaténase est le complexe SMC, MukBEF. Les cellules portant une délétion de mukB montrent une production de cellules anucléées, ainsi qu'une origine de réplication mal positionnée. La ségrégation des chromosomes est affectée, et la cohésion des chromatides sœurs est augmentée. L'interaction Topo IV-MukBEF est régulée par MatP qui chasserait MukBEF du terminus de réplication, facilitant ainsi l'association de MukBEF à l'origine de réplication. J'ai donc décidé d'étudier le rôle de MukB dans la formation des motifs de cohésion chez V. cholerae. Grâce à des approches génétiques couplées à l'outil High-SC2, j'ai pu démontrer que la délétion de mukB mène à une augmentation de la cohésion sur le Chr1, plus précisément sur le bras gauche, assez loin de l'origine. Mes résultats suggèrent que MukB n'agit pas préférentiellement sur des régions spécifiques, mais que ces effets différents sur les deux chromosomes de cet organisme sont dus aux différences dans leurs origines de réplication et/ou leurs systèmes de partition. De précédentes observations dans notre laboratoire ont montré qu'une double délétion de MukB et ParAB1 cause un phénotype sévère, plus important que les délétions individuelles, j'ai donc étudié les conséquences de cette double délétion sur le profil de cohésion. Mes résultats montrent une augmentation additionnelle de la cohésion dans le Chr1 près de l'origine, suggérant ainsi que le système de partition agit sur la décohésion sur le domaine de l'origine pendant que MukB agit sur le reste du chromosome. Il a été également montré que MatP retardait la ségrégation des chromatides soeurs du terminus de réplication du Chr1. J'ai utilisé le même outil qui m'a permis d'étudier le rôle de MatP dans la cohésion de cette région. J'ai pu montrer que MatP était responsable de cette cohésion uniquement au moment de la division cellulaire et non pas pendant la réplication contrairement à MukB. Mes résultats montrent également que la densité des matS présents dans le domaine ter de chaque chromosome qui influent sur la cohésion de ce même domaine
During cell proliferation, the maintenance of genetic information is essential. In bacteria, replication and segregation are concomitant. Replication starts at the single, bidirectional origin of replication of bacterial chromosomes. Two replication arms are then defined, and replication ends in a region diametrically opposite to the origin, the terminus. As replication progresses, the newly replicated sister chromosomes migrate to opposite cell compartments. However, microscopic observations suggest that there is a delay between replication and segregation, and that this delay varies along the length of chromosomes. The delay between replication and segregation of the sister copies of a genomic position is referred to as sister chromatid cohesion. During my PhD, I used the high-resolution tool that allows for a genome-wide analysis of Sister Chromatid Cohesion (High-SC2) and studied the cohesion profile of the model organism Vibrio cholerae. It has been shown in E. coli that the cohesion responsible for the variation of segregation speed is modulated by Topoisomerase IV, a major decatenating enzyme. One of the identified partners of this decatenase is an SMC complex, MukBEF. Cells carrying a mukB deletion show a production of anucleate cells, and a mispositioned origin of replication. Chromosome segregation is impaired, and therefore sister chromatid cohesion is increased overall. The Topo IV-MukBEF interaction is regulated by MatP, which seems to displace MukBEF from the terminus of replication, facilitating the association of the MukBEF complex with the origin of replication. I therefore decided to investigate the role of MukB, in the formation of the long-range patterns of cohesion in V. cholerae. Using genetic approaches coupled with the High-SC2 assay, I demonstrated that the deletion of mukB leads to an increase in cohesion on Chr1, especially on its left replication arm, far from the origin. These results suggested that MukB does not preferentially act on specific regions and that the differential effect of the mukB deletion on Chr1 and Chr2 is probably linked to differences in their origin of replication and/or partition systems. Previous observations in the lab have in fact shown that a double deletion of MukB and ParAB1 leads to a strong phenotype, thus I investigated its effect on the cohesion profile. My results show an additional increase of cohesion in Chr1 near the ori, suggesting that the partitioning system acts on the decohesion of the ori domain while MukB acts on the chromosomal arms. In addition, it has been shown that MatP kept the sister-copies of the ter domain of Chr1 together until cell division. I used the Hi-SC2 assay to study its role in the increased cohesion of this region. I showed that MatP was responsible for the cohesion of the ter1 domain at cell division not behind the replication fork, unlike MukB. My results have also shown that it is the density of the matS sites located on the ter domain of each chromosome that influence the level of cohesion of these domains

Nous présentons dans la première partie du document une étude portant sur l'imagerie de temps de vie de fluorescence sur structures dynamiques dans le domaine de fréquence (FD FLIM). Une mesure en FD FLIM est définie par une série d'images présentant une variation d'intensité sinusoïdale. La variation d'un temps de vie se traduit par une variation dans la phase de la sinusoïde décrite par l'intensité. Notre étude comporte deux contributions principales: une modélisation du processus de formation de l'image et du bruit inhérent au système d'acquisition (capteur ICCD) ; une méthode robuste d'estimation du temps vie sur des structures mobiles et des vésicules intracellulaires. Nous présentons ensuite une étude en microscopie de fluorescence portant sur la quantification du transport hétérogène dans un environnement intracellulaire dense. Les transitions entre la diffusion Brownienne dans le cytoplasme et les transports actifs supportés par le cytosquelette sont en effet des scénarios très couramment observés dans des cellules vivantes. Nous montrons que les algorithmes classiques de suivi d'objets nécessaires dans ce contexte, ne sont pas conçus pour détecter les transitions entre ces deux types de mouvement. Nous proposons donc un nouvel algorithme, inspiré de l'algorithme u-track [Jaqaman et al., 2008], qui s'appuie sur plusieurs filtrages de Kalman adaptés à différents types de transport (Brownien, Dirigé ...), indépendamment pour chaque objet suivi. Nous illustrons sur séquences simulées et expérimentales (vimentine, virus) l'aptitude de notre algorithme à détecter des mouvements dirigés rares
We propose in this manuscript a study of the instrumentation required for the quantification in frequency domain fluorescence lifetime imaging microscopy (FD FLIM). A FD FLIM measurement is defined as a series of images with sinusoidal intensity variations. The fluorescence lifetime is defined as the nanosecond-scale delay between excitation and emission of fluorescence. We propose two main contributions in the area: a modeling of the image process and noise introduced by the acquisition system (ICCD sensor); a robust statistical method for lifetime estimation on moving structures and intracellular vesicles. The second part presents a contribution to the tracking of multiple particles presenting heterogeneous transports in dense conditions. We focus here on the switching between confined diffusion in the cytosol and motor-mediated active transport in random directions. We show that current multiple model filtering and gating strategies fail at estimating unpredictable transitions between Brownian and directed displacements. We propose a new algorithm, based on the u-track algorithm [Jaqaman et al., 2008], based on a set of Kalman filters adapted to several motion types, for each tracked object. The algorithm has been evaluated on simulated and real data (vimentin, virus) data. We show that our method outperforms competing methods in the targeted scenario, but also on more homogeneous types of dynamics challenged by density

La membrane cellulaire est une partie vitale de la cellule dont l'architecture joue un rˆole crucial dans de nombreux processus cellulaires, comme la signalisation et le trafic, et dans diverses pathologies. Cette th'ese vise 'a sonder l'architecture membranaire via le mouvement de deux r'ecepteurs membranaires qui sont exploit'es par des toxines bact'eriennes. Les progr'es r'ecents des techniques de microscopie optique ont montr'e que certains r'ecepteurs membranaires ne diffusent pas librement dans la membrane, mais sont confin'es ou diffusent de fa¸con anomale. Actuellement, plusieurs mod'eles con- courent pour expliquer le confinement des r'ecepteurs, tel que le mod'e le Picket-Fence, les radeaux lipidiques et les agr'egats de prot'eines. Pour sonder la membrane, des nanoparticules (Y0.6Eu0.4VO4) dop'ees avec des lan- thanides sont coupl'ees 'a deux toxines peptidiques diff'erentes formant des pores dans la membrane, la toxine α de C. septicum et la toxine ǫ de C. perfingens. Le suivi de r'ecepteurs individuels sur lesquels sont fix'ees des toxines marqu'ees dans la mem- brane apicale de cellules MDCK avec un microscope 'a champ large permet de d'etecter le mouvement du r'ecepteur avec une r'esolution meilleure que la limite de diffrac- tion. Les r'ecepteurs de la toxine α et ǫ montrent une diffusion confin'ee avec des coefficients de diffusion similaires de 0.16 ± 0.14 µm2/s dans des domaines stables de 0.5 µm2. Pour analyser les trajectoires des r'ecepteurs, nous avons mis en oeuvre une nouvelle technique bas'ee sur une m'ethode d'inf'erence. Notre seule hypoth'ese est que le r'ecepteur se d'eplace selon l''equation de Langevin. Cette m'ethode exploite l'ensemble de l'information stock'ee dans la trajectoire et la qualit'e des valeurs extraites est v'erifi'ee par des simulations. Les deux r'ecepteurs sont confin'es dans un potentiel de type ressort avec une raideur de 0.45 pN/µm. Des exp'eriences apr'es d'epl'etion du cholest'erol par la cholest'erol oxydase et apr'es la d'epolym'erisation du cytosquelette par latrunculin B montrent que le confinement des r'ecepteurs individuels d'epend du taux de cholest'erol et que la d'epolym'erisation de l'actine n'influence pas le confinement. En utilisant la nanoparticule coupl'ee aux toxines comme un amplificateur de la force hydrodynamique applique'e par un flux liquide, nous avons mesur'e la r'eponse du r'ecepteur 'a une force ext'erieure. Les r'esultats indiquent une fixation des domaines de confinement sur le cy- tosquelette. Enfin, un mod'ele pour le confinement du r'ecepteur est propos'e, bas'e sur le couplage hydrophobe entre le r'ecepteur et la bicouche lipidique qui l'entoure. Ce mod'ele permet d'expliquer le potentiel de type ressort 'a l'int'erieur du domaine de confinement.

Avec près de 30 millions de morts depuis le début de la pandémie, l'infection par le VIH est un véritable fléau à l'échelle mondiale, surtout en Afrique sub-saharienne. Dans ce contexte, disposer d'une formulation microbicide efficace, facile à administrer par la voie vaginale, représenterait un outil de prévention idéal pour lutter contre cette pandémie. Ainsi, la conception rationnelle de telles formulations représente un enjeu majeur de santé publique.Ce travail décrit la recherche de formulations thermogélifiantes et mucoadhésives à base de pluronics et d'hydroxypropyl méthylcellulose (HPMC). Outre la caractérisation de leurs propriétés rhéologiques et d'adhésion, ainsi que des études en culture cellulaire suggérant une très faible toxicité de contact, ces hydrogels ont montré d'une part, leur capacité à véhiculer efficacement le peptide M48U1 (équipe L. Martin, CEA) destiné à bloquer l'entrée cellulaire du VIH et d'autre part à ralentir considérablement la diffusion de nanoparticules modèles mimant les particules virale matures du VIH-1, en comparaison d'hydrogel d'hydroxy éthylcellulose (HEC) fréquemment utilisés dans divers essais cliniques infructueux et aussi au mucus cervico-vaginal de macaque. L'ensemble des résultats suggère donc la capacité de ces formulations à constituer une double barrière, physique et pharmacologique, protectrice de la muqueuse vaginale vis-à-vis du VIH.

Obtenir des informations sur la matière à des échelles micrométriques, de manière non destructive et sans utiliser aucun marquage reste un défi méthodologique et technologique. Les techniques établies de microscopie de fluorescence ont permis de réelles avancées dans la compréhension des phénomènes biologiques mais le marquage utilisant des fluorophores limite considérablement cette technique, en particulier dans le domaine biomédical. Depuis une quinzaine d’année, la microscopie Raman cohérente a connu un important essor. Basée sur les propriétés vibrationnelles des molécules, cette technique permet aujourd’hui une imagerie tridimensionnelle des liaisons chimiques à cadence vidéo. De nombreux développements ont permis, à partir des concepts de la diffusion Raman et de l’optique non linéaire, d’élaborer des outils technologiques puissants permettant d’imager les échantillons biologiques en utilisant les contrastes de diffusion Raman anti-Stokes et de diffusion Raman stimulée. Dans ce chapitre, nous développons tout d’abord, grâce à des modèles simples, ces processus clés permettant d’appréhender la physique sous-jacente à l’imagerie Raman cohérente. Ensuite, nous illustrons ces techniques d’imagerie au travers de travaux menés récemment sur des échantillons biologiques et cristallins. Nous discutons enfin les perspectives actuelles concernant l’évolution des technologies et leurs domaines applicatifs.