Littérature scientifique sur le sujet « Omique à résolution cellulaire »

La microscopie de fluorescence est un outil majeur, en particulier pour étudier le fonctionnement du vivant au niveau cellulaire, mais sa résolution est limitée à quelques centaines de nanomètres. Ces vingt dernières années, différentes techniques ont été proposées pour descendre la résolution sous la barre des 100 nm. Cet article essaie de présenter leurs principes de manière unifiée.

La plupart des techniques d’imagerie cellulaire, telles que la microscopie photonique ou la microscopie électronique, nécessitent que l’échantillon biologique soit préalablement fixé par des agents chimiques, une étape qui est connue pour endommager l’organisation sub-cellulaire. Pour pallier à ce problème, la cryo-fixation, inventée il y a plus de 40 ans, consiste à vitrifier les échantillons biologiques afin de préserver leur état natif. Cette méthode n’avait cependant été que très peu utilisée en microscopie photonique. Dans cette revue, nous présentons en détail la microscopie d’expansion, une technique de super-résolution développée récemment et qui, couplée à la cryo-fixation, permet de visualiser l’architecture cellulaire au plus près de son état natif.

La microscopie de fluorescence est un outil de référence dans l’étude des systèmes biologiques, alliant la spécificité offerte par la fluorescence et la possibilité d’un suivi non invasif en milieu vivant. Cependant comme l’ensemble des techniques de microscopie, elle est soumise au phénomène de diffraction introduit par l’objectif, qui limite la résolution de l’instrument. Ce texte présente les différentes méthodes permettant de dépasser cette contrainte en associant développement instrumental en optique et contrôle de la photophysique des fluorophores afin de révéler l’organisation cellulaire à l’échelle nanométrique.

La microscopie à super-résolution (SRM) désigne une nouvelle catégorie de techniques de microscopie optique qui permettent de surmonter la barrière de diffraction classique,- barrière qui a rendu difficile l’observation des structures et des activités qui constituent la base de la vie cellulaire biologique. La microscopie STED, qui est l'une des techniques SRM, a attiré l'attention des neurobiologistes, car elle permet de révéler la nanostructure des cellules cérébrales non seulement dans une boîte de Pétri, mais aussi à l'intérieur du tissu cérébral réel, voire dans le cerveau intact in vivo.

L’isolement de l’insuline du pancréas et sa purification à un degré suffisant pour permettre son administration à des patients atteints de diabète de type 1 furent accomplis il y a 100 ans à l’Université de Toronto par Banting, Best, Collip et McLeod et représentent sans conteste une des plus grandes révolutions thérapeutiques en médecine, reconnue par l’attribution du Prix Nobel de Physiologie ou Médecine en 1923 à Banting et McLeod. Les retombées cliniques furent rapides ainsi que l’internationalisation de sa production commerciale. Les retombées en matière de recherche fondamentale furent beaucoup plus lentes, en particulier en ce qui concerne les mécanismes moléculaires d’action de l’insuline sur ses cellules cibles. Presque un demi-siècle s’écoula avant la détermination de la structure tri-dimensionnelle de l’insuline en 1969 et la caractérisation de son récepteur cellulaire en 1970–1971. Le fait que le récepteur de l’insuline soit une enzyme appelée tyrosine kinase ne fut démontré que dans les années 1982–1985, et la structure cristallographique du domaine kinase intracellulaire fut déterminée dix ans plus tard. La structure cristallographique du premier substrat intracellulaire de la kinase (IRS-1) en 1991 ouvrira la voie à l’élucidation des voies de signalisation intracellulaires. Il faudra 15 ans de plus avant l’obtention de la structure cristallographique du domaine extracellulaire du récepteur (en l’absence d’insuline) en 2006. Depuis, la détermination de la structure du complexe insuline-récepteur dans les états inactif et activé a fait d’énormes progrès, en particulier grâce aux améliorations récentes dans les pouvoirs de résolution de la cryo-microscopie électronique. Je passerai ici en revue les étapes du développement du concept de récepteur hormonal, et de nos connaissances sur la structure et le mécanisme moléculaire d’activation du récepteur de l’insuline.

La médecine de précision en oncologie a pour but de personnaliser les traitements en fonction des profils génétiques et moléculaires uniques des tumeurs des patients, et ce afin d'améliorer l'efficacité thérapeutique ou de minimiser les effets secondaires. À mesure que les avancées technologiques produisent des données de plus en plus précises sur le microenvironnement tumoral (TME), la complexité de ces données augmente également. Notamment, les données spatiales — un type récent et prometteur de données omiques — fournissent des informations moléculaires à la résolution de la cellule tout en conservant le contexte spatial des cellules au sein des tissus. Pour exploiter pleinement cette richesse et cette complexité, l'apprentissage profond émerge comme une approche capable de dépasser les limitations des approches traditionnelles. Ce manuscript détaille le développement de nouvelles méthodes de deep learning et computationnelles ayant pour but d'améliorer l'analyse des systèmes complexes des données single-cell et spatial. Trois outils sont décrits: (i) Scyan, pour l'annotation de types cellulaires en cytométrie, (ii) Sopa, une pipeline générale de preprocessing de données spatiales, et (iii) Novae, un modèle de fondation pour données spatiales. Ces méthodes sont appliqués à plusieurs projets de médecine de précision, approfondissant notre compréhension de la biologie du cancer et facilitant la découverte de nouveaux biomarqueurs et l'identification de cibles potentiellement actionnables pour la médecine de précision
Precision medicine in oncology customizes treatments based on the unique genetic and molecular profiles of patients' tumors, which is crucial for enhancing therapeutic efficacy and minimizing adverse effects. As technological advancements yield increasingly precise data about the tumor microenvironment (TME), the complexity of this data also grows. Notably, spatial data — a recent and promising type of omics data — provides molecular information at the single-cell level while maintaining the spatial context of cells within tissues. To fully exploit this rich and complex data, deep learning is emerging as a powerful approach that overcomes multiple limitations of traditional approaches. This manuscript details the development of new deep learning and computational methods to enhance our analysis of intricate systems like single-cell and spatial data. Three tools are introduced: (i) Scyan, for cell type annotation in cytometry, (ii) Sopa, a general pipeline for spatial omics, and (iii) Novae, a foundation model for spatial omics. These methods are applied to multiple precision medicine projects, exemplifying how they deepen our understanding of cancer biology, facilitating the discovery of new biomarkers and identifying potentially actionable targets for precision medicine

L’un des enjeux du XXI siècle concerne la compréhension de la machine cellulaire. Le principal problème à l’heure actuelle que rencontrent les biologistes est la diffraction due à la nature ondulatoire de la lumière qui limite la résolution des instruments optiques. Dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que l’up-conversion présent dans les nanoparticules dopées terres rares pouvaient dépasser la limite d’Abbe. Nous avons montré que la résolution latérale dans notre microscope pouvait dépasser λ/5 bien supérieure à la limite d’abbe. Ce concept permet d’atteindre des résolutions proches de 180 nm pour des processus à 4 photons. Ces résultats sont intéressants, ils permettent d’obtenir des résolutions proches d’un microscope confocal, tout en conservant l’excitation infrarouge de faible puissance de l’ordre de quelques µW, permettant de nous s’affranchir d’un laser femto-seconde, et donc de développer un microscope multi-photon à bas cout
Major bottleneck in microscopic imaging is the limited lateral resolution due to the diffraction of light. To overcome this limit, here we demonstrate the up-conversion process in the rare earth doped nanoparticles, which may serve as an original fluorescence source mechanism. Rare earth doped nanoparticles, have been reported to serve as efficient bio-labels for cellular and small animal imaging. In this work, we demonstrate that non-linearity of up-conversion allows achieving high lateral resolution in the images using multiphoton microscopy, demonstrating significant improvement in lateral resolution, using low pumping laser power. This new technique may serve as another approach for high-resolution optical imaging

L'hétérogénéité de l'adénocarcinome canalaire pancréatique (ADCP) est l'obstacle majeur au traitement efficace des patients. En effet, les caractéristiques cliniques et la sensibilité aux traitements sont associés à un phénotype donné et sont plutôt régis à un niveau transcriptomique. Nous avons donc analysé le transcriptome de xénogreffes provenant des patients (Patients Derived Xenografts : PDX) lors des biopsies de tumeurs ou de pièces chirurgicales. Après extraction d’ARN, nous avons trouvé une signature moléculaire capable de diviser les patients en deux groupes, en fonction de leur survie. Nous avons également montré que la réponse autraitement pouvait être prédite par l‘analyse transcriptomique. Nous avons ensuite analysé les tumeurs et leurs stromas, et mis en évidence deux soustypesde stromas et deux sous-types de tumeurs, définis par la transcriptomique basée sur l'ARN, ou la méthylation de l'ADN. Nous avons étudié la réponse aux traitements administrés seuls ou en combinaison avec des chimiothérapies de routine. Nous avons mis en évidence des sous-groupes de patients plus chimiosensibles à certains traitements. Tous ces résultats sont encourageants,mais pas encore applicables en pratique clinique. Nous développons maintenant les organoïdes, véritable représentation de la tumeur en 3dimensions. Contrairement aux PDX, les organoïdes nous permettent d'obtenir des résultats rapidement exploitables. Nous pensons que dans un avenir proche, le traitement des cancers du pancréas sera précédé d'une caractérisation moléculaire étendue afin de sélectionner les traitements les plus appropriés et de pouvoir enfin proposer une médecine personnalisée
Heterogeneity of Pancreatic Ductal AdenoCarcinoma (PDAC) has become the majorimpediment to the effective treatment of patients. Clinical outcome and sensitivity to treatments are associated with a given phenotype and associated at a transcriptomic level. Recent data indicate that studying the expressionof a selected gene set could inform selection of the most appropriate treatments.We areoptimizing this approach by analysing transcriptome of Patient-Derived Xenografts (PDX)from surgical as well as endoscopic ultrasound-guided fine needle aspiration (EUS-FNA)biopsies of tumors, as a source of RNA. We have found a molecularsignature capable of dividing patients into two groups, function of theirsurvival.Independently, we have shown that treatment response pattern can also be foundat a transcriptomic level. We thenanalysed tumors and their stromas, and have found two sub-types of stromas and two sub-types of tumors. These wereindinstinctly defined by RNAseq-based transcriptomics, or DNA methylation. We also studied response to treatments administered alone or incombination to routine chemotherapies. All these results are encouraging, but not yetapplicable in clinical pratice. We are now developing the PDAC Biopsy DerivedPancreatic Cancer Organoids (BDPCO): BDPCO culture represents an excellent source of “exvivo” material. Unlike PDX, which take many months to grow, BDPCO allow us to obtainexploitable material rapidly useful for clinical application. We are convinced that in the near future, the treatment ofpancreatic cancers will be preceded by an extensive molecular characterization of cancercells in order to select the most appropriate treatments

Etudier le rôle des éléments traces à l’échelle cellulaire requiert des outils analytiques de pointe. Nous avons développé une nouvelle méthodologie précise de la répartition des éléments chimiques cellulaires à partir d’une combinaison des méthodes d’analyse par faisceaux d’ions PIXE, RBS et STIM. Cette méthodologie s’appuie fortement sur le développement d’un logiciel (Paparamborde) pour le traitement quantitatif des expériences STIM. La validité de cette méthode ainsi que ses limites sont discutées. La méthode STIM-PIXE-RBS permet de quantifier la composition en éléments traces (µg/g) avec une incertitude de mesure évaluée à 19,8% dans des compartiments cellulaires de masse inférieure à 0,1 ng.Une des limites de la méthode réside dans le faible nombre d’échantillons analysables en raison à la fois du temps minimum nécessaire pour réaliser une acquisition et de l’accès limité aux plateformes d’analyse par faisceaux d’ions. C’est pourquoi nous avons également développé une base de données pour la capitalisation des compositions chimiques cellulaires (BDC4). Cette base de données s’inscrit dans la logique de l’utilisation de la composition chimique cellulaire comme un traceur de l’activité biologique, et doit permettre à terme de définir des compositions chimiques de référence pour les différents types cellulaires analysés.L’application de la méthodologie STIM-PIXE-RBS à l’étude de la toxicologie nucléaire du cobalt permet d’illustrer son intérêt en pratique. En particulier, l’analyse STIM s’avère indispensable dans le cas d’échantillons présentant une perte de masse organique au cours de l’analyse PIXE-RBS
The study of the role of trace elements at cellular level requires the use of state-of-the-art analytical tools that could achieve enough sensitivity and spatial resolution. We developed a new methodology for the accurate quantification of chemical element distribution in single cells based on a combination of ion beam analysis techniques STIM, PIXE and RBS. The quantification procedure relies on the development of a STIM data analysis software (Paparamborde). Validity of this methodology and limits are discussed here. The method allows the quantification of trace elements (µg/g) with a 19.8 % uncertainty in cellular compartments with mass below 0.1 ng.The main limit of the method lies in the poor number of samples that can be analyzed, due to long irradiation times required and limited access to ion beam analysis facilities. This is the reason why we developed a database for cellular chemical composition capitalization (BDC4). BDC4 has been designed in order to use cellular chemical composition as a tracer for biological activities and is expected to provide in the future reference chemical compositions for any cellular type or compartment.Application of the STIM-PIXE-RBS methodology to the study of nuclear toxicology of cobalt compounds is presented here showing that STIM analysis is absolutely needed when organic mass loss appears during PIXE-RBS irradiation

RmI est une molécule hybride contenant 1,03 copie du génome du virus du polyome liée à une insertion cellulaire d'ADN de souris par des répétitions virales directes de 182 pb. Dans ce travail, nous avons examiné la recombinaison intramoléculaire de RmI en utilisant différents recombinants contenant cette molécule. Après transfection dans diverses lignées cellulaires, la recombinaison a été mise en évidence par la production de plages de lyse, ou directement par la méthode de Southern. Nous avons montré que des molécules de taille génomique étaient produites à une fréquence élevée dans des cellules de souris et qu'il s'agissait là d'un événement de recombinaison réciproque. Il semble que la présence de la protéine virale grand T soit nécessaire à cet événement de recombinaison.

L'objectif du travail présenté est la résolution d'un problème inverse d'origine biologique. Plus précisément, il s'agit de la mise en place d'un modèle mathématique et des outils informatiques de calculs correspondants. Par problème inverse, on désigne une classe de problèmes qui consistent à déterminer certains paramètres d'un modèle proposé, de façon à ce que celui-ci approche le mieux possible les résultats obtenus expérimentalement. Pour ceci, on cherche des valeurs des paramètres qui minimisent l'écart, en général en norme L2, entre les valeurs mesurées expérimentalement et celles obtenues par la modélisation. Dans notre cas, le modèle proposé est une équation aux dérivés partielles de type parabolique non linéaire. Les paramètres à appréhender sont des constantes. On est donc ramené à un problème d'optimisation. Notre étude se divisera en quatre parties. Au chapitre 1, on présente le problème physique, sa modélisation originale dans sa formulation non linéaire. Au chapitre 2, on définit une méthode numérique pour la résolution du problème, en justifiant les choix effectués. Au chapitre 3, on étudie plus en détail le point essentiel, mais aussi le plus délicat de la modélisation ; c'est-à-dire la résolution de l'équation parabolique non-linéaire.

État de l’art : La dormance tumorale est une stratégie de résistance utilisée par les cellules cancéreuses. Elle constitue un obstacle majeur dans la thérapie du cancer, puisqu’elle mène à la maladie résiduelle minimale (MRD) et augmente le risque de rechute. Bien que cliniquement significatifs, les mécanismes derrière la dormance tumorale et la MRD ne sont pas bien compris. Nous avons utilisé deux modèles murins syngéniques de leucémie myéloïde et de mélanome élaborés par le laboratoire pour explorer les profils génétiques, épigénétiques, transcriptomiques et protéomiques liés à la dormance tumorale. Par cette approche multi-omique, nous avons cherché à découvrir les processus moléculaires conduisant à la MRD et à identifier des cibles thérapeutiques potentielles.Résultats :Nous avons réalisé une analyse multi-omique complexe incluant le séquençage de l'exome entier (WES), l'analyse des variations du nombre de copies (CNV), l'immunoprécipitation de la chromatine suivie du séquençage (ChIP-seq) et des investigations du transcriptome et du protéome. L'analyse WES a identifié un chevauchement subtil de mutations génétiques entre les modèles de dormance de mélanome et de leucémie, avec de nombreuses mutations trouvées exclusivement dans les cellules de dormance. Ces signatures génétiques spécifiques suggèrent que les pressions sélectives durant la MRD peuvent conférer une résistance au microenvironnement ou aux traitements. En combinant les données CNV, les marques d'histones et les signatures d'expression génique transcriptomique avec l'analyse d'enrichissement de Gene Ontology (GO), nous avons identifié des rôles fonctionnels potentiels de ces gènes mutés et obtenu des informations sur les voies impliquées dans la MRD. De plus, en comparant les "gènes MRD murins" avec les données correspondantes aux maladies humaines provenant de bases de données publiques,nos travaux soulignent des caractéristiques communes liées à la progression de la maladie. L'analyse protéomique, combinée aux investigations génétiques multiomiques,a révélé une signature protéique distincte dans les cellules de dormance avec une implication minimale des mécanismes génétiques. L'analyse 'enrichissement des voies a mis en évidence les processus métaboliques, de différenciation et de remodelage du cytosquelette impliqués dans la MRD. Enfin, nous avons identifié 11 protéines exprimées différemment dans les cellules de dormance de ces deux pathologies. Conclusions : Notre recherche met en évidence la nature complexe de la dormance tumorale,impliquant à la fois des éléments génétiques et non génétiques. En comparant les données génomiques, transcriptomiques, protéomiques et épigénomiques, nous fournissons un aperçu approfondi du paysage moléculaire associé à la MRD. Ces résultats posent une base solide pour de futures études et suggèrent des directions prometteuses pour le développement de thérapies ciblées pour la MRD chez les patients atteints de leucémie et de mélanome. Cela souligne la nécessité de prendre en compte à la fois des facteurs génétiques et non génétiques dans les stratégies de traitement
Background : Tumor dormancy, a resistance strategy used by cancer cells, is a major impediment in cancer therapy, leading to minimal residual disease (MRD) and increasing the risk of relapse. Although clinically significant, the mechanisms behind tumor dormancy and MRD are not well understood. In this research, we employed two syngeneic murine models of myeloid leukemia and melanoma to explore the genetic,epigenetic, transcriptomic, and proteomic profiles linked to tumor dormancy. By applying a multiomics approach, we aimed to uncover the molecular processes driving MRD and identify possible therapeutic targets. Results : We performed a comprehensive omics analysis that included whole-exome sequencing (WES), copy number variation (CNV) analysis, chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq), and investigations of the transcriptome and proteome. The WES analysis identified a limited overlap of gene mutations between the melanoma and leukemia dormancy models, with many mutations found exclusively in dormant cells. These unique genetic signatures suggest that selective pressures during MRD may provide resistance to the surrounding microenvironment or treatments. Combining CNV data, histone marks, and transcriptomic gene expression signatures with Gene Ontology enrichment analysis,we identified the potential functional roles of these mutated genes and gained insights into the pathways involved in MRD. Furthermore, by comparing "murine MRD genes"with corresponding human disease data from public databases, we identified common features related to disease progression. Proteomic analysis, integrated with multi-omics genetic investigations, revealed a distinct protein signature in dormant cells with minimal involvement of genetic mechanisms. Pathway enrichment analysis pointed to the metabolic, differentiation, and cytoskeletal remodeling processes involved in MRD. Ultimately, we identified 11 proteins that were differentially expressed in dormant cells across both types of pathology. Conclusions : Our research highlights the intricate nature of tumor dormancy, involving both genetic and non-genetic elements. Through the comparison of genomic,transcriptomic, proteomic, and epigenomic data, we deliver an extensive overview of the molecular landscape associated with minimal residual disease. These findings laya solid groundwork for future studies and suggest promising directions for developing targeted therapies for MRD in leukemia and melanoma patients. This underscores the necessity of incorporating both genetic and non-genetic factors into treatment strategies

Les macrophages sont en première ligne de la défense innée et jouent un rôle important dans l’initiation de la réponse immunitaire puisque régulant l’inflammation et permettant la clairance des pathogènes. Dans la mucoviscidose, ces phénomènes sont exacerbés et deviennent chronique sans pouvoir être résolus. Les objectifs de cette thèse ont été de déterminer des cibles potentielles responsables des altérations du macrophage dans la mucoviscidose. Dans le contexte inflammatoire, la forme soluble du CD14 (sCD14), dont la sécrétion est augmentée par les macrophages de patients atteints de la mucoviscidose, est caractérisé comme un DAMP puisqu’il contribue à l’entretien de l’inflammation au niveau tissulaire. Dans le contexte infectieux, l’activité de TRPV2, impliqué dans la phagocytose, est altérée. Dans la mucoviscidose, l’inflammation et l’infection sont aussi intimement liées par l’intermédiaire d’une altération des microstructures de la membrane plasmique impliquée dans la production du sCD14 et dans le processus de phagocytose. En conclusion, les modifications des fonctions du macrophage affaiblissent la défense innée des patients atteints de mucoviscidose et peuvent être impliqués dans la progression de la maladie. Par conséquent, les interventions visant à réduire l’inflammation et l’infection pourraient être bénéfiques afin de préserver la fonction pulmonaire des patients. Ainsi, les approches thérapeutiques visant à corriger les dysfonctions du macrophage de patients atteints de mucoviscidose pourrait fournir une meilleure résolution de l'infection et l'inflammation
Macrophages play a significant role in the initiating stages of immune responses regulating inflammation and clearance of the pathogens. In cystic fibrosis, inability of the macrophage to act as a suppressor cell leading to chronic inflammation/infection cannot be resolved. The aims of this work was to find new targets responsible for alterations in cystic fibrosis macrophages. Regarding inflammation, the soluble form of CD14 (sCD14), find overproduced by cystic fibrosis macrophages, is characterized to be a DAMP as it contributes for maintenance of inflammation in tissues. Regarding infection, the activity of TRPV2, involved in phagocytic capacity of macrophage, is impaired. In cystic fibrosis, inflammation and infection were closely linked to the alteration of the plasma membrane microstructures involved in the production of sCD14 and in the phagocytosis process. In conclusion, the alterations of macrophage weaken innate defense of cystic fibrosis patients and may be involved in cystic fibrosis disease progression and lung damage. Consequently, interventions aimed to reduce ongoing infection and destructive inflammatory response may be beneficial in order to preserve their lung function. In this way, therapeutic approaches aimed to correct cystic fibrosis macrophages dysfunctions might provide improved resolution of infection and inflammation

La compréhension des processus cellulaires au niveau membranaire est un domaine d’étude important en recherche biomédicale. Contourner la limite de diffraction en microscopie de fluorescence est maintenant devenu possible en exploitant les transitions moléculaires du fluorophore. Ce travail présente le développement instrumental de deux techniques complémentaires permettant d’atteindre une résolution nanométrique, grâce à l'émission stimulée (STimulated Emission Depletion - STED) d’une part, et la microscopie de fluorescence aux angles supercritiques (Supercritical Angle Fluorescence, SAF) d’autre part. La microscopie STED est une méthode permettant de surpasser la barrière de diffraction et d’atteindre des résolutions latérales de l'ordre de 40 nm dans des échantillons biologiques. Ce dispositif de microscopie exploite les transitions moléculaires des marqueurs fluorescents pour surmonter la limite de résolution due à la diffraction. L'amélioration de la résolution est obtenue par déplétion de l'état excité du fluorophores dans les régions périphériques de l'espace du volume focal. Cependant, malgré l'amélioration importante de la résolution latérale avec la technique STED, cette dernière présente une réelle complexité de mise en œuvre qui a par conséquence un impact important sur le cout des instruments STED commerciaux. Dans ce contexte, la réalisation instrumentale et la performance en imagerie d'un dispositif STED sont présentées dans ce manuscrit. Bien que les microscopes STED classiques offrent une meilleure résolution latérale, la résolution axiale est toujours limitée par la diffraction. L’amélioration de la résolution dans cette direction implique une certaine complexité instrumentale. Dans ce cadre, nous démontrons une nouvelle approche utilisant l’imagerie SAF permettant d'obtenir un sectionnement axial de l'ordre de 150 nm. L’approche se base sur la propriété d'une molécule à émettre dans les angles supercritiques uniquement lorsqu’elle se rapproche de l'interface verre-eau. Le sectionnement axial est obtenu dans une configuration simple en détectant uniquement les composantes de l’émission supercritique. La combinaison de ces techniques d'imagerie donne un outil puissant pour étudier les phénomènes moléculaires sur les membranes biologiques
Understanding cellular processes on membranes has been a key area of biomedical research. Circumventing the diffraction limit in fluorescence microscopy has now become possible by exploiting the molecular transitions of the fluorophore. In this context, this work presents the instrumental development of two complementary techniques for realizing nanometric all-optical resolution and axial sectioning, namely STimulated Emission Depletion (STED) and Supercritical Angle Fluorescence (SAF) microscopy. STED microscopy is an elegant method that has allowed us to break the diffraction barrier with light microscopes and has achieved resolutions of the order of 40 nm (transverse) in biological samples. In this technique, we exploit the molecular transitions of the fluorescent marker to overcome the resolution limit due to diffraction. Resolution enhancement is achieved by efficient depletion of the excited state of the marker in the peripheral spatial regions of the focal volume by using depletion beams in addition to the excitation beam. Despite the major resolution improvement demonstrated, the technique is not well spread out, mainly due to its apparent complexity; and the cost and limited tunability of the commercial system. In this context, the instrumental realization and the imaging performance of a cost-effective home-built STED microscope is presented in this manuscript. While conventional STED microscopes offer improved lateral resolution, an isotropic gain in resolution usually comes at the cost of complex instrumentation. In this regard, we demonstrate SAF microscopy as a powerful tool that achieves an axial sectioning of the order of 150 nm. This is done by exploiting the property of a molecule to emit into the supercritical anglesonly when near the glass-water interface. Axial sectioning is obtained in a simple configuration by detecting solely the supercritical components of radiation. A combination of these imaging techniques offer a powerful tool to study molecular phenomena on the biological membranes

En recherche pharmacologique, les cellules vivantes sont largement utilisées comme milieu d’analyse pour l’étude de phénomènes biologiques, par exemple l’apoptose et la réorganisation cellulaire. Différents outils de caractérisation sont développés pour analyser et traduire l’information biologique en information quantifiable. L’imagerie à résonance de plasmons de surface (SPR) est sensible aux variations d’indice de réfraction d’un milieu à l’interface d’une couche métallique. Elle trouve beaucoup d’applications en recherche pharmacologique, car elle permet l’acquisition d’images en temps réel et ne nécessite pas de marquage biologique comme en fluorescence. Cependant, la nature propagative des plasmons de surface (PSP) limite la résolution spatiale en entraînant un étalement de l’information dans la direction de propagation des PSP. Cela signifie qu’il est difficile de résoudre spatialement des détails inférieurs à la distance de propagation des PSP, généralement de l’ordre des dizaines de micromètres. Plusieurs groupes de recherche travaillent à améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR. Toutefois, bien que des résolutions spatiales inférieures à celle de la propagation ont été obtenues, certains compromis ont été effectués, par exemple la diminution de la résolution temporelle ou d’indice de réfraction.Ce projet de thèse s’insère dans cette problématique en concevant et réalisant des dispositifs plasmoniques permettant d’améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR, tout en minimisant les compromis avec les autres paramètres d’imagerie. Ces puces SPR sont composées de surfaces métalliques nanostructurées dont le mode guidé combine les propriétés des plasmons propagatifs et des plasmons localisés. Un logiciel de modélisation numérique a permis de démontrer comment la géométrie des surfaces nanostructurées peut être optimisée de manière à réduire la longueur d’atténuation du mode plasmonique tout en conservant un fort contraste d’imagerie. Une géométrie optimale a été identifiée et des structures de l’ordre du micromètre ont été observées à l’aide des puces SPR nanostructurées optimisées. Les résultats expérimentaux ont montré une réduction de la propagation d’un facteur de 6.3 comparativement à des surfaces métalliques uniformes.Les performances en imagerie des puces SPR nanostructurées ont été validées au cours d’études de réponses cellulaires causées par stimulation à l’aide d’agents pharmacologiques. Les puces ont été employées dans l’étude de changements d’intégrité de couches confluentes de cellules suivant stimulation. La quantification de trous intercellulaires dans la couche a montré une augmentation significative du nombre de petits trous détectés (~ 1-2 µm2) lors de l’utilisation des puces SPR nanostructurées. Cette augmentation de la sensibilité à l’activité cellulaire est le résultat de l’amélioration de la résolution spatiale. Finalement, l’étude de la morphologie de cellules au cytosquelette fortement linéaire a permis d’observer des structures subcellulaires et de suivre la réorganisation du cytosquelette de cellules individuelles. Les puces SPR nanostructurées conçues et réalisées au cours de cette thèse montrent un fort potentiel d’applications en imagerie sans marquage de cellules vivantes
In pharmacological research, living cells are widely used as the sensing medium for biological studies, such as cell apoptosis and cellular reorganization. Different characterization systems are developed to analyze and quantify biological information. Surface plasmon resonance (SPR) imaging is sensitive to minute refractive index variations occurring in a medium at the proximity of a metal layer. It has found many applications in pharmacological research since it allows the real-time image acquisition and does not require biological labeling like for fluorescence. However, the propagative nature of surface plasmons (PSPs) limits the spatial resolution by spreading the information in the direction of propagation of the PSPs. This means that it is difficult to spatially resolve details smaller than the attenuation length of the PSPs, generally of the order of tens of micrometers. Several research groups have worked on this limitation in order to improve the spatial resolution in SPR imaging. However, although spatial resolutions lower than that of the propagation have been obtained, those techniques require compromises, such as loss in temporal resolution or in refractive index.In this thesis project, plasmonic devices were designed and characterized in order to improve spatial resolution in SPR imaging, while minimizing compromises with other imaging parameters. These SPR chips are composed of nanostructured metal surfaces where the guided mode combines the properties of propagative plasmons and localized plasmons. An in-house numerical modeling software has demonstrated how the geometry of nanostructured surfaces can be optimized to reduce the attenuation length of the plasmonic mode, while maintaining a high imaging contrast. An optimum geometry was identified, and micron-sized structures have been observed using the optimized nanostructured SPR chips. Experimental results showed a reduction in propagation by a factor of 6.3 compared to uniform metal surfaces.The imaging performances of nanostructured SPR chips were assessed by studying cellular responses following pharmacological stimulation. The chips were used in real-time monitoring of integrity changes in confluent endothelial cell layer following stimulation. Quantification of intercellular gaps in the monolayers showed a significant increase in the number of small holes detected (~ 1μm2) when using nanostructured SPR chips. This increase in sensitivity to cellular activity is the result of improved spatial resolution. Finally, the study of morphology in highly linear cytoskeleton cell enabled the observation of subcellular structures and the monitoring of cytoskeleton reorganization in individual cells. The nanostructured SPR chips designed and realized during this thesis show a strong potential label-free live cell imaging

Les imprimantes 3D existent depuis plusieurs décennies et le principe général de la fabrication additive est de déposer des couches successives de matériau afin dobtenir un volume, à partir d’un modèle défini à l’avance grâce à une interface informatique. Depuis quelques années, ces imprimantes sont utilisées dans le domaine médical : ainsi, les chirurgiens peuvent obtenir une réplique en résine d’une situation clinique afin de planifier leur geste chirurgical pour réaliser des interventions moins invasives. Par ailleurs, on peut aujourdhui imprimer certains biomatériaux synthétiques sur mesure afin dobtenir des greffons personnalisés basés sur limagerie tridimensionnelle d’un patient. Ces applications utilisent sur des imprimantes fonctionnant principalement sur le principe de la stéréolithographie (photopolymérisation sélective de résines photosensibles) ou bien du dépôt à chaud de fil fondu : ces technologies ne permettent pas dutiliser des composés biologiques tels que des cellules ou des biomolécules. Plus récemment, des imprimantes 3D dédiées à l’impression déléments biologiques (Bio-Impression) ont été développées. On distingue la Bioimpression assistée par laser, la bioimpression par jet dencre et lextrusion dhydrogels. Ces trois méthodes présentent des points communs (utilisation d’une encre biologique, modélisation du motif à imprimer et pilotage de limprimante par une interface informatique, impression couche par couche). Cependant, en fonction de la technologie utilisée, la résolution et le volume des motifs imprimés peuvent varier de façon importante. Les machines permettant d’imprimer à haute résolution ne sont habituellement pas adaptées lorsquon cherche à obtenir des volumes importants ; de la même façon, lorsqu’une technologie permet d’imprimer des volumes importants, il est souvent difficile dobtenir de hautes résolutions dimpressions. De ce fait, on doit parfois combiner plusieurs technologies pour produire certains assemblages complexes. Ainsi, il est primordial de définir finement ses objectifs avant de choisir une technologie de bioimpression. Les applications des imprimantes 3D de tissus biologiques (Bio-imprimantes) sont toutes dans le champ de lingénierie tissulaire et aujourdhui presque exclusivement dans le domaine de la recherche. Les méthodes permettant d’imprimer à haute résolution trouvent des applications principalement en biologie cellulaire lorsquon cherche par exemple àé valuer les capacités de communication de plusieurs types cellulaires : en effet, il est possible de créer des motifs réguliers en imprimant des gouttes de bioencre contenant chacune quelques cellules avec la technologie laser. Par ailleurs, d’autres technologies basées sur lextrusion permettent de manipuler des amas cellulaires (sphéroïdes) et de les organiser entre eux, ce qui peut trouver des applications dans le domaine de la cancérologie. En combinant les technologies, on peut aujourdhui mettre en place des modèles d’étude pharmacologiques qui pourraient à terme se substituer à certaines expérimentations animales et ouvrir la voie à certaines thérapies ciblées. Enfin, la fabrication dorganes par bioimpression (« Organ Printing ») reste aujourdhui du domaine de la science fiction, même si quelques équipes travaillent sur cet aspect. Les imprimantes 3D biologiques apportent donc de nouveaux outils pour le chercheur dans de nombreuses applications en biologie et en médecine régénératrice. Le choix de la méthode la plus adaptée à L’objectif de L’étude est primordial afin dutiliser au mieux ces technologies.