Les membranes biologiques, qui compartimentent les différents éléments du vivant, jouent un rôle essentiel dans les processus biologiques comme la signalisation, le transport, la transmission du message nerveux, etc. Envisagées comme des fluides à deux dimensions, l’étude de leurs propriétés physiques peut nous aider à comprendre certains mécanismes biologiques. Ce travail de thèse s’est intéressé à la mobilité des molécules au sein des membranes, et notamment à deux paramètres essentiels, la viscosité membranaire, et la diffusion latérale. Après avoir optimisé la technique de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) au microscope confocal, nous avons étudié la mobilité des molécules au sein de deux types de membranes modèles in vitro : la phase éponge d’un surfactant non-ionique (C12E5) et les vésicules géantes unilamellaires (GUVs) lipidiques. 1) La phase éponge (ou L3) : après avoir déterminé son diagramme de phase et montré que les protéines membranaires restent actives dans cette phase, nous avons mesuré la mobilité de protéines par recouvrement de fluorescence après photoblanchiment sur un motif à franges (FRAPP). Cela nous a permis d’obtenir les constantes d’association de protéines de la pompe d’efflux OprM-MexAB, impliquée dans la résistance aux antibiotiques de la bactérie Pseudomonas aeruginosa. Ces interactions dépendent très fortement du degré de confinement de chacune des protéines. 2) Les GUVs : après avoir développé une méthode simple de formation des GUVs, au sein desquelles les protéines membranaires restent actives, nous avons mesuré la diffusion des lipides par FRAP, et montré que dans certaines conditions, ils se déplacent en groupe, ce qui permet d’expliquer la diversité des résultats de la littérature. En mesurant la viscosité membranaire par imagerie microscopique du temps de vie de fluorescence (FLIM), nous avons également montré qu’elle ne se déduit pas nécessairement des modèles hydrodynamiques de diffusion. / Biological membranes, which divide the elements of life, are a key factor in biological processes such as signaling, transport, transmission of an nerve impulse, etc. Seen as two-dimensional fluids, the study of their physical properties could help us understand some unsolved biological mechanisms. This work focused on molecule mobility within membranes, and specifically on two essential parameters: membrane viscosity and lateral diffusion. After optimizing the Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) technique on confocal microscopes, we studied the mobility of molecules within two types of in vitro model membranes: the sponge phase made of a non-ionic surfactant (C12E5) and the giant unilamellar lipidic vesicles (GUVs). 1) Sponge phase (or L3) : after having established its phase diagram and shown that membrane proteins stay active in this phase, we measured protein mobility by Fluorescence Recovery After fringe Pattern Photobleaching (FRAPP). This allowed us to obtain the association constants of the proteins of the efflux pump OprM-MexAB involved in the resistance to antibiotics of the bacteria Pseudomonas aeruginosa. These interactions heavily depend on the degree of confinement of each protein. 2) GUVs : after having developed a simple method for the formation of GUVs, in which membrane proteins stay active, we measured the lipid diffusion by FRAP. We showed that, under certain conditions, they can move together, which explains the diversity of results in the literature. By measuring membrane viscosity by Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), we also showed that viscosity should not be necessarily deduced from hydrodynamic diffusion models.

Les moteurs moléculaires permettent le transport actif de molécules et d’organelles le long de filaments polaires du cytosquelette de la cellule eucaryote. Les filaments peuvent s’organiser en réseaux parallèles, antiparallèles, ou désordonnés. Malgré son importance, l’influence de l’architecture du cytosquelette sur le transport de cargos par des moteurs moléculaires est souvent ignorée. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé des patrons surfaciques de nucléation pour contrôler la géométrie de polymérisation de filaments d’actine. Cette approche permet de reproduire in vitro les trois types de réseaux qui sont observés in vivo. En adsorbant des moteurs moléculaires purifiés à la surface de nano-billes fluorescentes (diamètre 200 nm), nous avons étudié le transport de ces cargos dans des réseaux antiparallèles émergeant de deux lignes de nucléation parallèles. Nous avons observé que les billes recouvertes de moteurs processifs HMM-V (Heavy Mero-Myosine V) génèrent des mouvements dirigés en direction du milieu du réseau où la polarité moyenne des filaments est nulle et où les billes s’accumulent. De plus, la distribution de positions des billes à l’état stationnaire peut être déduite des profils de vitesse et de diffu-sion des billes, indiquant que le transport actif suit un processus de convection-diffusion. Les billes recouvertes de moteurs non-processifs HMM-II (Heavy Mero-Myosine II) dé-montrent des comportements similaires. Cependant, bien que le gradient de vitesse des billes HMM-II soit plus important que pour les billes HMM-V au centre du réseau, le coeffi-cient de diffusion l’est bien davantage. Le centrage de ces billes est ainsi moins précis qu’avec la HMM V. A notre surprise, nous avons observé que la précision du centrage ne dépend pas de l’espacement entre les deux lignes de nucléation, donc de la taille du sys-tème. Le comportement des billes est décrit par un modèle à trois états dans lequel la bille sonde localement la polarité nette du réseau en se détachant et en se rattachant fré-quemment aux filaments. Une séquence stochastique de déplacements dirigés dans un état attaché aux filaments et d’explorations diffusives dans un état détaché, conduit à une marche aléatoire biaisée avec un coefficient de diffusion et une vitesse effectifs. Notre description physique indique que la précision du positionnement des billes dépend du gra-dient de polarité nette du réseau de filaments ainsi que de la distance moyenne de par-cours des billes dans l’état attaché à l’actine. Nos résultats démontrent ainsi le rôle clef que joue l’architecture du réseau de filaments sur les propriétés du transport. Dans la cellule, les moteurs moléculaires permettent également la réorganisation des filaments du cytosquelette. En ajoutant nos moteurs moléculaires en solution, nous avons observé qu’un réseau de filaments d’actine parallèles, polymérisés in vitro à partir d’une ligne ou d’un disque de nucléation, peut former spontanément des faisceaux oscil-lants. Ces oscillations ressemblent aux battements du flagelle du spermatozoïde. En parti-culier, le système génère des ondes de déformation transverses se propageant de la base à l’apex du faisceau oscillant à une vitesse de 0,5 µm/s. Au cours du temps, les faisceaux d’actine s’épaississent, ce qui conduit à un ralentissement de l’oscillation avec une période qui croît de 25 s à 40 s. De plus, nous avons observé que des faisceaux d’actine voisins sont capables de se synchroniser, comme c’est le cas entre les deux flagelles de l’algue Chlamydomonas. Notre système acto-myosine minimal permet donc d’imiter le battement de flagelles, bien que la nature des moteurs moléculaires et des filaments en jeu soit com-plètement différente. Ainsi, ce système fournit un nouvel outil pour étudier les propriétés physiques génériques du battement flagellaire. / Molecular motors navigate the cytoskeleton to position vesicles and organelles at specific locations in the cell. Cytoskeletal filaments assemble into parallel, antiparallel or disordered networks, providing a complex environment that constrains active transport properties. Using surface micro-patterns of nucleation-promoting factors to control the geometry of actin polymerization, we studied in vitro the interplay between the actin-network architec-ture and cargo transport by small myosin assemblies. With two parallel nucleation lines, we produced an antiparallel network of overlapping filaments. We found that 200nm beads coated with processive myosin V motors displayed directed movements towards the mid-line of the pattern, where the net polarity of the actin network was null, and accumulated there. The bead distribution was dictated by the spatial profiles of bead velocity and diffu-sion coefficient, indicating that a diffusion-drift process was at work. Interestingly, beads coated with skeletal heavy mero-myosin II motors showed a similar behavior. However, although velocity gradients were sharper with myosin II, the much larger bead diffusion observed with this non-processive motor resulted in less precise positioning. Strikingly, bead positioning did not depend on the spacing between the nucleation lines. Our observa-tions are well described by a three-state model of bead transport, in which active beads locally sense the net polarity of the filament network by frequently detaching from and re-attaching to the filaments. A stochastic sequence of processive runs and diffusive search-es results in a biased random walk with an effective drift velocity and diffusion coefficient. Positioning relies on spatial gradients of the net actin polarity, as well as on the run length of the cargo in the attached state. Altogether, our results on a minimal acto-myosin system demonstrate the key role played by the actin-network architecture on motor transport. Molecular motors can also deform and reorganize the cytoskeleton. Adding heavy mero-myosin II or V in bulk, we observed that parallel networks of actin filaments emerg-ing from a nucleation line or disk can self-assemble into bundles that beat periodically like the flagellum of the spermatozoid. In a preliminary analysis, we observed waves of defor-mation travelling from the base to the tip of the bundle at a speed of 0,5 µm/s. As time went by, the bundles grew thicker, resulting in an increase of the beating period (range: 25-40 s). In addition, neighboring actin ‘flagella’ were able to synchronize, as observed in vivo for instance with the the two flagella of the algae Chlamydomonas. Our minimal acto-myosin system thus mimicked key properties of microtubule-based flagellar beating, de-spite the different nature of the motors and cytoskeletal filaments involved. This system thus provides a new tool to study the generic physical properties of flagellar beating.

Avec l'avènement de la téléphonie et des réseaux mobiles, l'impact des radiofréquences (RF) sur la santé humaine est plus que jamais un sujet d'actualité. Les résultats des recherches Homme et animal restent controversés et ne permettent pas de conclusion définitive sur l’existence ou non d’effets des RF, notamment sur le cerveau. Ainsi, nos résultats montrent que chez le rat, jeune, adulte et âgé, une exposition de 3 mois à un signal LTE 4G (900 MHz, 61V/m, DAS = 0,33 W/kg) n’a aucun effet sur l’apprentissage et la mémoire spatiale récente et ancienne, ni sur l’anxiété ou la locomotion. L’expression des gènes a été étudiée par séquençage haut débit des ARNm, en conditions "Basal" et "Apprentissage" dans l’hippocampe dorsal et le cortex préfrontal médian. Nos résultats montrent que des gènes appartenant à des regroupements fonctionnels spécifiques sont modulés en réponse à l’exposition aux RF dans l'hippocampe dorsal en condition "Basal" et dans le cortex préfrontal médian, pendant et suite à un apprentissage spatial. Cependant, il est important de noter que ces modulations génétiques n'impactent pas le rappel d'un souvenir récent ou ancien. En perspective, il sera important de connaître les possibles répercussions que ces régulations peuvent avoir à plus long terme sur le fonctionnement cérébral. / The increasing development of mobile phone technology and networks raises the question of the impact of electromagnetic fields in the radiofrequency range (RF) on human health and well-being. However, data from humans and animal scientific research remain controversial and do not allow to conclude about potential harmful effects of RF, particularly on the brain. Thus, our results showed that, in young, adult and aged rats, a chronic exposure (3 months) to a 4G LTE signal (900 MHz, SAR = 0.33 W/kg, 61V/m) had no impact on spatial learning and long-term memory, nor on anxiety and locomotion. Gene expression was studied using high throughput RNA sequencing in the dorsal hippocampus and medial prefrontal cortex, both in "Basal" and "Learning" conditions. Our results show that some genes belonging to specific functional groups were modulated by RF in the dorsal hippocampus in "Basal" condition and, in the median prefrontal cortex during and after spatial learning. However, it is to note that these gene expression modulations have no impact on recent or remote memory. In perspective, it will be important to explore the potential effects of such changes in brain functioning.

Η διατριβή αποτελεί μία συμβολή στον πειραματικό και υπολογιστικό καθορισμό της έκθεσης ανθρώπων σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία στοιχείων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας (εναέριες γραμμές, καλώδια, μετασχηματιστές, υποσταθμοί). Στις εναέριες γραμμές διπλού κυκλώματος και στα υπόγεια καλώδια υψηλής τάσεως (συγκρότηση των τριφασικών συστημάτων από μονοπολικά καλώδια) καθορίζονται οι διατάξεις των αγωγών των φάσεων, ώστε να επιτυγχάνεται η ελαχιστοποίηση των πεδιακών εντάσεων σε θέσεις προσιτές σε ανθρώπους. Οι δυνατότητες μετρήσεων στο δίκτυο 400kV είναι πολύ περιορισμένες και προφανώς δεν μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες εκτεταμένων παραμετρικών διερευνήσεων. Για την πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων των θεωρητικών διερευνήσεων κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποιήσεως Ηλεκτρικής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών ένα μοντέλο δύο παράλληλα οδευουσών γραμμών 400kV. Στο 1ο κεφάλαιο περιγράφονται οι στόχοι της διατριβής, γίνεται βιβλιογραφική διερεύνηση και δίνονται οι οριακές τιμές της Οδηγίας της Διεθνούς Επιτροπής Προστασίας έναντι Μη Ιονιζουσών Ακτινοβολιών (ΙCNIRP), της σχετικής Σύστασης της Ευρωπαϊκής Ένωσης και της Ελληνικής Νομοθεσίας για την προστασία των ανθρώπων από τα χαμηλόσυχνα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Τα όρια αυτά ανέρχονται σε 5kV/m και 100μΤ για την συνεχή έκθεση του κοινού και σε 10kV/m και 500μΤ για την επαγγελματική απασχόληση. Στο 2ο κεφάλαιο εξετάζονται οι θεωρητικές βάσεις για την ανάπτυξη μοντέλου δύο παράλληλα οδευουσών γραμμών 400kV διπλού κυκλώματος για την μέτρηση του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου και καθορίζονται οι συντελεστές μεταξύ των τιμών των πεδιακών εντάσεων του μοντέλου και των πραγματικών γραμμών. Το μοντέλο παρέχει την δυνατότητα μετρήσεων για διαφορετικές διατάξεις των αγωγών των φάσεων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η συμμετρική διάταξη των αγωγών των φάσεων και η βέλτιστη διάταξη, ώστε να επέρχεται ελαχιστοποίηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της μαγνητικής επαγωγής. Το μοντέλο πρέπει να έχει επαρκές μέγεθος, ώστε, δεδομένων των διαστάσεων των οργάνων μέτρησης της μαγνητικής επαγωγής και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, τα αποτελέσματα των μετρήσεων να απεικονίζουν με ακρίβεια την κατάσταση στις πραγματικές γραμμές. Για γραμμές 400kV προκύπτει, ως κατάλληλη κλίμακα, η κλίμακα 1:16. Οι διαστάσεις του μοντέλου ανέρχονται σε 12m (μήκος), 3,2m (πλάτος) και 3,6m (ύψος). Το μοντέλο αυτό, με τις πρόσθετες διατάξεις τροφοδοσίας και μετρήσεων, απαρτίζεται από τα ακόλουθα στοιχεία: - Μοντέλο των δύο παράλληλα οδεουσών γραμμών. - Μετασχηματιστές για την τροφοδότηση των γραμμών με την επιθυμητή ένταση (δύο μετασχηματιστές, ένας για κάθε γραμμή διπλού κυκλώματος). - Πηνία για την μείωση των εντάσεων στις επιθυμητές συμμετρικές τιμές (12 πηνία, ένα πηνίο ανά φάση και κύκλωμα γραμμής). - Πίνακας γραμμών με τα απαραίτητα όργανα προστασίας και τη δυνατότητα ζεύξεων ώστε να επιτυγχάνονται οι διαφορετικές διατάξεις των αγωγών των φάσεων (δύο πίνακες, ένας για κάθε γραμμή διπλού κυκλώματος) Καθορίσθηκαν με μετρήσεις ή υπολογισμούς τα ισοδύναμα κυκλώματα των μετασχηματιστών, των γραμμών, των πηνίων και συνδετικών καλωδίων συμπεριλαμβανομένων και των αντιστάσεων διέλευσης. Από το συνιστάμενο ισοδύναμο κύκλωμα προκύπτει η ένταση ανά φάση και κύκλωμα των 208Α, ενώ η αντίστοιχη μετρηθείσα τιμή ανέρχεται σε 184Α (τιμή κατά την θερμική ισορροπία του μοντέλου υπό θερμοκρασία περιβάλλοντος 16οC) Η απόκλιση αυτή οφείλεται κυρίως στην επαγωγική επίδραση των σιδηρών φορέων (εσχαρών) των συνδετικών καλωδίων και των μετασχηματιστών εντάσεως. Στο 3ο κεφάλαιο δίδονται τα αποτελέσματα συστηματικών μετρήσεων και συγκριτικών υπολογισμών της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της μαγνητικής επαγωγής στο περιβάλλον γραμμών 400kV διπλού κυκλώματος. Οι μετρήσεις έγιναν τόσο στο περιβάλλον πραγματικών γραμμών, όσο και στο περιβάλλον του μοντέλου γραμμών υπό κλίμακα 1:16, το οποίο περιγράφεται στο κεφάλαιο 2. Οι διερευνήσεις έγιναν για την διαπίστωση της βέλτιστης, από πλευράς πεδίων, διάταξης των αγωγών των φάσεων και της επίδρασής της στη μείωση των πεδιακών εντάσεων. Από τις μετρήσεις και τους υπολογισμούς στο περιβάλλον πραγματικών γραμμών και μοντέλου γραμμών προκύπτει η δυνατότητα δραστικής μείωσης των τιμών της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου και της μαγνητικής επαγωγής με την εφαρμογή της βέλτιστης διάταξης των αγωγών των φάσεων. Στη συνέχεια υπολογίζονται οι πεδιακές εντάσεις έκθεσης εργαζομένων κατά την πλύση μονωτήρων υπό τάση. Στο 4ο κεφάλαιο εξετάζονται διατάξεις καλωδίων δυο, τριών και περισσοτέρων τριφασικών συστημάτων, τα οποία απαρτίζονται από μονοπολικά καλώδια. Συγκεκριμένα εξετάζονται τυπικές διατάξεις καλωδίων σε επίπεδη διάταξη και διατάξεις καλωδίων εγκατεστημένων σε σήραγγες. Έγιναν παραμετρικές διερευνήσεις ως προς την διάταξη των φάσεων των καλωδίων με σκοπό την μείωση της μαγνητικής επαγωγής στο περιβάλλον των καλωδίων και το καθορισμό των διατάξεων με τις μικρότερες μέγιστες τιμές της μαγνητικής επαγωγής (βέλτιστες διατάξεις). Οι βέλτιστες διατάξεις των φάσεων επαληθεύτηκαν για διάφορα βάθη εγκατάστασης και για διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ των μονοπολικών καλωδίων και μεταξύ των τριφασικών συστημάτων. Στις διατάξεις δύο τριφασικών συστημάτων, χωρίς εμπλοκή των φάσεων των δύο συστημάτων, υπάρχουν 36 δυνατές διατάξεις των φάσεων. Οι διατάξεις αυτές ομαδοποιούνται σε ομάδες των 6 διατάξεων οι οποίες δημιουργούν το ίδιο μαγνητικό πεδίο. Έτσι προκύπτουν 6 ανεξάρτητες ομάδες διατάξεων. Αντίστοιχα, σε διατάξεις τριών τριφασικών συστημάτων, υπάρχουν 216 δυνατές διατάξεις των φάσεων από τις οποίες προκύπτουν 36 ανεξάρτητές ομάδες. Για οποιοδήποτε αριθμό n τριφασικών συστημάτων υπάρχουν 6n δυνατές διατάξεις των φάσεων από τις οποίες προκύπτουν 6n-1 ανεξάρτητες ομάδες διατάξεων. Υπάρχει πάντοτε μια ομάδα 6 διατάξεων των φάσεων που προκαλούν τη μέγιστη μείωση (δραστική μείωση) της μαγνητικής επαγωγής στο σημείο της μέγιστης τιμής της (βέλτιστες διατάξεις). Οι βέλτιστες διατάξεις των φάσεων προκαλούν επίσης μεγάλη μείωση τις μαγνητικής επαγωγής σε όλο το περιβάλλον των καλωδίων. Στο 5ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα συστηματικών μετρήσεων της μαγνητικής επαγωγής που έγιναν σε εννέα υποσταθμούς 150 kV /20kV υπαιθρίου τύπου του ελληνικού συστήματος. Μετρήσεις έγιναν επίσης στα κέντρα διανομής Αμαρουσίου και Ελευθερίας. Οι μετρήσεις στους υποσταθμούς υπαίθριου τύπου έγιναν: α) Στο άμεσο περιβάλλον του βασικού εξοπλισμού (μετασχηματιστές 150kV/20kV, ζυγοί 150kV, αναχωρήσεις 20kV) και σε πυκνές διαδρομές εντός του υποσταθμού, ώστε να καθοριστεί η χωρική κατανομή της μαγνητικής επαγωγής με τη βοήθεια τρισδιάστατων παραστάσεων. Μπορεί έτσι να εκτιμηθεί η έκθεση του προσωπικού σε μαγνητικά πεδία, β) Σε σημαντικές αποστάσεις από τον βασικό εξοπλισμό και στις περιοχές των γραμμών τροφοδοτήσεως 150kV και των αναχωρήσεων 20kV ώστε να μπορεί να εκτιμηθεί η μαγνητική επαγωγή στα όρια περίφραξης του υποσταθμού (θέσεις προσιτές στο κοινό) και να καθοριστεί συνεπώς η μέγιστη έκθεση του κοινού από πεδία που οφείλονται στον υποσταθμό. Οι μετρήσεις σε κέντρα διανομής έγιναν στην περίμετρο εκτός του κτιρίου (θέσεις προσιτές στο κοινό). Στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα συστηματικών μετρήσεων της μαγνητικής επαγωγής στα Κέντρα Υπερυψηλής Τάσης (ΚΥΤ) υπαιθρίου τύπου Αχαρνών και Κουμουνδούρου και στο Κέντρο Υπερυψηλής Τάσης με μόνωση Αερίου Λαυρίου. Οι μετρήσεις στα Κέντρα Υπερυψηλής Τάσης υπαιθρίου τύπου έγιναν: α) Στο άμεσο περιβάλλον του βασικού εξοπλισμού (αυτόμετασχηματιστές 400kV/150kV, ζυγοί 400kV) και σε πυκνές διαδρομές εντός των ζυγών 400kV, ώστε να καθοριστεί η χωρική κατανομή της μαγνητικής επαγωγής με τη βοήθεια τρισδιάστατων παραστάσεων. Μπορεί έτσι να εκτιμηθεί η έκθεση του προσωπικού σε μαγνητικά πεδία,. β) Στα όρια του ΚΥΤ (θέσεις προσιτές στο κοινό) ώστε να καθοριστεί η μέγιστη έκθεση του κοινού από πεδία που οφείλονται στα ΚΥΤ. Οι μετρήσεις στο Κέντρο Υπερυψηλής Τάσης με μόνωση Αερίου Λαυρίου έγιναν εντός και εκτός της αίθουσας ζυγών 400kV. Στο 7ο κεφάλαιο εξετάζεται η μαγνητική επαγωγή στο περιβάλλον πενήντα εναερίων υποσταθμών διανομής 20kV/0,4kV (Υ/Σ). Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων της μαγνητικής επαγωγής προέκυψε ως εύλογος ο διαχωρισμός των εναέριων Υ/Σ σε δύο κατηγορίες: - εναέριοι Υ/Σ τύπου Ε, όπου το κιβώτιο διανομής βρίσκεται σε σημαντικό ύψος από το έδαφος (περί τα 2-3 m). Οι αναχωρήσεις χαμηλής τάσης είναι κυρίως εναέριες. - εναέριοι Υ/Σ τύπου Υ, όπου το κιβώτιο διανομής είναι τοποθετημένο στο έδαφος. Οι αναχωρήσεις χαμηλής τάσης είναι κυρίως υπόγειες. Μετρήθηκε επίσης η μαγνητική επαγωγή στο περιβάλλον εννέα Υ/Σ εγκατεστημένων εντός κτιρίου και τριών Υ/Σ μειωμένων διαστάσεων. Οι μετρήσεις έγιναν σε θέσεις προσιτές στους εργαζομένους (εντός των Υ/Σ) και σε θέσεις προσιτές στο κοινό (εκτός των Υ/Σ). Η ονομαστική ισχύς των υποσταθμών που εξετάσθηκαν κυμαίνεται μεταξύ 250kVA και 1000kVA. Οι μετρήσεις έγιναν σε Υ/Σ αστικών και περιαστικών περιοχών. Από τα κεφάλαια 3 έως 7 προκύπτει ότι οι μέγιστες τιμές της μαγνητικής επαγωγής σε θέσεις προσιτές στο κοινό είναι πολύ μικρότερες από τα επιτρεπόμενα όρια. Κατά την επαγγελματική απασχόληση εμφανίζονται υψηλότερες τιμές, οι οποίες όμως δεν υπερβαίνουν τα όρια έκθεσης των εργαζομένων. / In this thesis constitutes a contribution to the experimental and calculating determination of human exposure to electric and magnetic fields generated by power systems equipments (overhead transmission lines, underground cables, transformers, substations). In double circuit overhead transmission lines and in high voltage underground cables (three-phase systems constituted by single-core cables) the phase configurations are determined in order to achieve the reduction of field intensities in areas accessible to people. The possibilities of measurements in 400kV grid are very restricted and apparently they cannot cover the needs of extensive parametrical investigations. In order to examine experimentally the effect of the theoretical investigations, a model of two parallel running 400kV double circuit lines was constructed at the Power Systems Laboratory of the University of Patras. In chapter 1, the object of this thesis is described and bibliographical research is conducted. The limit values of the guidelines of the International Committee on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), the Recommendation of the European Union Council and Greek Legislation for the protection of humans from Extremely Low Frequency (ELF) electric and magnetic fields are given. These limits are set to 5kV/m and 100μT for constant public exposure and 10kV/m and 500μT for occupational exposure. In Chapter 2, the theoretical basis for the construction of the model of two parallel running 400kV double circuit lines to measure the electric and magnetic fields is examined. Also, the factors between the values of field intensities of the model and the ones of the actual transmission lines are determined. The model offers the potential of measurement for different arrangements of the phase conductors. What is interesting is the symmetrical arrangement of the phase conductors and the optimum arrangement in order to achieve reduction of the electric field intensity and the magnetic flux density. The model has to be big enough so that the dimensions of the measurement instruments (EMF meters) won’t affect the measurement values. The 1:16 scale occurred to be the appropriate one. The dimensions of the model are 12m (length), 3.2m (width) and 3.6m (height). This model, with its extra power and measurement supplies, is constituted by: - Model of two parallel running 400kV double circuit lines. - Transformers to supply the model with the desirable current (two transformers, one for each double circuit line). - Reactance coils for the reduction of currents to the desirable values (twelve reactance coils, 1 coil per phase and circuit of each line). - Switchboard for lines with the necessary protections and possibility of connection to achieve different phase arrangements (two switchboards, one for each double circuit line). With measurements or calculations the values of equivalent circuit of transformers, lines, reactance coils and connection cables including contact resistance were determined. From the overall equivalent circuit it occurs that the per phase and per circuit current is 208A, but the respective measured value is 184A (value in thermal steady state with environment temperature 16oC). This difference is mostly due to the inductive reactance of the cable trays of connection cable and the current transformers. In chapter 3, the results of systematic measurements and comparative calculations of the intensity of the electric field and the magnetic flux density in the environment of 400kV double circuit line are given. The measurements were conducted both in the vicinity of the real power lines and in the vicinity of the model of power lines in 1:16 scale, which is described in chapter 2. Investigations were conducted to ascertain the optimum phase arrangement as far as fields are concerned, and its effect in the reduction of field intensities. From the measurements and calculations in the vicinity of the real power lines and the model it occurs the drastic reduction of the intensity of electric field and the magnetic flux density by applying the optimum phase conductor arrangement. Following, field intensities of occupational exposure during line insulator washing under voltage are determined. In chapter 4, underground cables’ arrangements of two, three and more three-phase systems are examined, which are constituted by single-core cables. Specifically, typical flat arrangements of cables are examined as well as a typical arrangement of cables installed inside a tunnel. Parametrical investigations are conducted in the phase configurations of the cables in order to reduce the magnetic flux density in the vicinity of the cables and to determine the configurations which produce the minimum maximum values of the magnetic field (optimum configurations). The optimum phase configurations are verified for various installation depths and various distances between the cables and between the three-phase systems. In arrangements of two three-phase systems, without involvement between the two systems, there are 36 possible phase configurations. Those configurations are categorised in groups of 6 configurations which produce the same magnetic field. In this way, 6 independent configuration groups arise. Respectively, in arrangements of three three-phase systems, there are 216 possible phase configurations from which 36 independent groups arise. For any number n of three-phase systems there are 6n possible phase configurations from which 6n-1 independent configuration groups arise. There is always one group of 6 phase configurations (optimum configurations) which cause the greatest reduction (drastic reduction) of the maximum value of the magnetic flux density. The optimum phase configurations also produce great reduction of magnetic flux density in the vicinity of the cables. In chapter 5, the results of systematic measurements of magnetic flux density taken place in nine 150kV outdoor substations of the Greek grid are presented. Measurements also were conducted in 150kV GIS Indoor Substation in Amarousion and Eleftherias. Measurements in outdoor substations were conducted: a) In the direct vicinity of main equipment (150kV/ 20kV transformers, 150kV bus-bars, 20kV overhead lines) and close measurements inside the substation so as to determine in three-dimensional depiction of the magnetic flux density. In this way occupational exposure to magnetic fields can be determined. b) Far away from the main equipment and in the vicinity of 150kV overhead lines and 20kV overhead lines so that the magnetic flux density in the fencing area of the substation (areas accessible to the public) can be evaluated and, consequently, the maximum public exposure to fields owed the substation can be determined. Measurements conducted in 150kV GIS Indoor Substation in the outer perimeter of the building (areas accessible to the public). In chapter 6, results of systematic measurements of magnetic flux density taken place in 400kV outdoor substations in Aharne and Koumoundourou and in 400kV GIS Indoor Substation in Lavrio. Measurements in outdoor substations were conducted: a) In the direct vicinity of main equipment (400kV/ 150kV autotransformers, 400kV bus-bars) and close measurements inside the 400kV bus-bars so as to determine in three-dimensional depiction of the magnetic flux density. In this way occupational exposure to magnetic fields can be determined. b) Measurements conducted in the fencing area of the outdoor substation (areas accessible to the public) can be evaluated and, consequently, the maximum public exposure to fields owed the substation can be determined. Measurements conducted in 400kV GIS Indoor Substation in Lavrio were conducted inside and outside the 400kV bus-bar building. In chapter 7, the magnetic flux density in the vicinity of fifty 20kV /0.4kV outdoor distribution substations is examined. From measurements of the magnetic field, made in the vicinity of outdoor substations, the following segregation of the substation results: - Outdoor substations type O with the fuse-box in the significant height above ground (2-3m). These substations are mainly connected to the overhead grind of 0.4kV. - Outdoor substations type U with the fuse-box on the ground. These substations are mainly connected to the underground grind of 0.4kV. Measurements were conducted in the vicinity of 9 distribution substation 20kV /0.4kV installed inside building, and 3 compact substations. Measurements were conducted in areas accessible to workers (inside the substations) and in areas accessible to the public (outside the substations). The nominal power of the substations lies among 250kVA and 1000kVA. The measurements of the magnetic flux density were conducted in urban and suburban areas. From chapter 3 to 7 it occurs that the maximum values of the magnetic flux density in areas accessible to the public are mach lower than the limit values. In occupational exposure higher values occur, which however do not exceed the limit values.

La première cause de handicap neurologique chez l’adulte en France est l’accident vasculaire cérébral (AVC). L’AVC est la principale cause de l’hémiplégie et peut conduire à des séquelles lourdes telles que des difficultés à se lever et s’asseoir. A ce jour, il n’existe pas de dispositif d’aide au passage assis-debout (PAD)/debout-assis (PDA) permettant le déplacement en position debout adapté aux sujets hémiplégiques.La conception de ce type de dispositif est l’objectif du projet VHIPOD. L’absence d’études sur le PAD/PDA avec aide des sujets hémiplégiques invite à explorer deux types d’aides : ancrage fixe et ancrage mobile. Une première campagne d’expérimentation a permis de mesurer le PAD/PDA de 18 sujets sains et 11 sujets hémiplégiques droits dans différentes conditions : avec/sans ancrage fixe, avec/sans écharpe d’immobilisation et pour différentes positions de l’ancrage fixe. Ce travail a permis de montrer la contribution d’un ancrage fixe sur le PAD/PDA (ex. réduction des moments articulaires aux genoux) et de montrer que la position de l’ancrage fixe influence le PAD/PDA (ex. une position du côté gauche/sain augmente l’appui sur le membre inférieur gauche). Une deuxième campagne d’expérimentation a permis de mesurer le PAD/PDA avec ancrage mobile de 7 sujets sains et 10 sujets hémiplégiques gauches. Ce travail a permis d’identifier la différence entre les sujets hémiplégiques et les sujets sains (ex. les sujets hémiplégiques gauches sont plus asymétriques que les sujets sains) et de comparer les résultats du PAD/PDA avec ancrage mobile à ceux du PAD/PDA avec ancrage fixe (ex. l’asymétrie des sujets hémiplégiques est augmentée pour le PAD/PDA avec ancrage mobile. / Stroke is the first cause of neurological handicap for adults in France. It is the principal cause of hemiplegia and could lead to major consequences as to have difficulties to stand up, to sit down or even to walk/move.Nowadays, there’s no device adapted to assist hemiplegic persons to stand up, to move while standing up and to sit down. The creation of this type of device/vehicle is the aim of VHIPOD project. The absence of studies on the assisted sit-to-stand (STS) for hemiplegic persons invites to investigate two type of assistance : fixed anchor and moving anchor. Two series of experimentation have been conducted. The first experimental device allowed the sit-to-stand/stand-to-sit measurements for 18 healthy subjects and11 right hemiplegic subjects in different conditions : with/without a fixed anchor, with/without an arm sling and for different anchor position. The analysis of the results showed the contribution of a fixed handgrip (ex. reduction of the knee joint moments) and the influence of the handgrip position on the movement (ex. a position on the left/healthy side increases the effort on left lower limb.). The second experimental device allowed the sit-to-stand/stand-to-sit measurements for 7 healthy subjects and 10 left hemiplegic subjects. The analysis of the results allowed us to describe the sit-to-stand/stand-to-sit with moving anchor, to compare the two populations (ex. Left hemiplegic subjects have a more asymmetrical movement then healthy subjects) and to compare the STS with moving anchor to the STS with fixed anchor (ex. The asymmetry of hemiplegic subjects was higher for the STS with a moving anchor).

Les pathologies inflammatoires vasculaires (PV) et articulaires (PA) représentent aujourd'hui la cause principale de la mortalité et d’invalidité dans les pays industrialisés. Comme les causes exactes favorisant leur apparition restent inconnues, le présent travail a proposé de nouvelles méthodes physiques susceptibles de détecter les premiers stades inflammatoires en utilisant des marqueurs spécifiques et d'étudier les changements mécaniques et structuraux subis par les tissus vasculaires et le liquide synovial (LS). Les PV peuvent être détectées en utilisant les examens IRM. Afin d’améliorer l’efficacité des agents de contraste IRM ceux-ci peuvent être greffés avec des anticorps. En utilisant la Spectroscopie de Force (SF), un mode de la Microscopie à Force Atomique, l’affinité établie entre un nouvel anticorps, le Fucoidan, et le marqueur spécifique P-Selectine a été analysé. L’étude sur PV a été finalisée en utilisant les mêmes techniques SF en mesure d’indentation afin de connaitre les changements de propriétés mécaniques entre les tissus vasculaires sains et pathologiques. Les modifications dans la dynamique du LS déclenchées par l'une des molécules incapables de réagir selon leur fonctionnalité peuvent conduire aux PA. Aussi la technique SF a été utilisée pour étudier le comportement de chaque composant moléculaire du LS. Il a été prouvé l’affinité de ces composants pour les bicouches lipidiques (BL), fréquemment rencontrées dans le corps humain. L’étude a été complétée par l’analyse des changements intervenant dans la dynamique des BL en présence/absence des composants principaux de LS. Les investigations ont été réalisées par un test de Récupération de Fluorescence Après Photoblanchiment. Enfin un test tribologique a été conduit pour étudier la variation du coefficient de frottement entre les BL et les composants du LS / As vascular (VP) and articular (AP) inflammatory pathologies represent nowadays the principal cause of mortality and disability in industrialized countries, the exact causes favoring their occurrence remain still unknown. The present work aimed at proposing new physical methods to detect the early inflammatory stages through recognition of specific markers and to study the structural and mechanical changes undergone by pathological vascular tissues and synovial fluid (SF). Vascular pathologies can be detected through contrasted MRI pictures. In order to improve the capacity of contrast agents to target specific markers they can be antibody-grafted. Atomic Force Microscopy’s mode Force Spectroscopy (AFM-FS) was used to evaluate the affinity between the Fucoidan as a new antibody, and the P-Selectin vascular inflammatory marker, for capacity to target that marker. Further study of VP used the FS techniques for nanoindentation to study changes in mechanical properties between healthy and pathological vascular tissues. Modifications in SF’s dynamics triggered by one of the molecular component not fulfilling its role may lead to AP. To investigate this issue, each of the main SF’s molecular components had their affinity tested versus the ever-present lipid bilayers using AFM-FS techniques. Furthermore changes in lipid bilayers’ dynamics in the presence/absence of the main SF components were analyzed by Fluorescence Recovery After Photobleaching technique. Finally a tribological test was performed to study the variation of the friction coefficient between the lipid bilayers and SF’s main components

La thérapie cellulaire se positionne comme une stratégie prometteuse pour inciter le cœur infarci à se régénérer. A cet effet, des études récentes placent des espoirs considérables dans l’utilisation des cellules souches embryonnaires et notre laboratoire a déjà démontré comment les différencier en progéniteurs cardiovasculaires, un type de précurseurs cellulaires qui ne peut aboutir qu’à la formation de cardiomyocytes, de cellules endothéliales ou de cellules de muscles lisses. Cet engagement précoce réduit leur capacité de prolifération anarchique et en même temps leur permet de rester suffisamment plastiques pour éventuellement s’intégrer plus facilement avec le tissue hôte. Cependant, les études précliniques et cliniques d’injection de ces cellules s’avérèrent décevantes. Malgré de légères améliorations de la fonction cardiaque, on observa une trop faible survie cellulaire ainsi qu’un taux de rétention des cellules dans le myocarde remarquablement bas. Afin d’étudier ce problème, mes travaux de thèse ont porté non seulement sur la conception de nouveaux biomatériaux pouvant servir de moyen de transport et d’intégration des cellules dans la zone infarcie, mais aussi sur la conception de biomatériaux permettant de contrôler précisément l’environnement cellulaire au cours du processus de différenciation de cellules souches pluripotentes humaines en cardiomyocytes. Grâce aux importantes interactions entre nos laboratoires de recherche fondamentale et de recherche clinique, nous avons tout d’abord développé de nouvelles techniques de fabrication et de caractérisation de patches de fibrine cellularisés qui sont récemment entrés dans un essai clinique de phase I. A partir de cette formulation clinique approuvée par les autorités de régulation, nous avons élaboré toute une gamme de matériaux composites uniquement à base de matières premières pertinentes dans ce cadre clinique, dans le but d’améliorer la maturation des progéniteurs cardiovasculaires une fois greffés sur le cœur défaillant. Dans cette optique, nous avons également développé un modèle in vitro permettant d’étudier précisément l’influence combinée de la rigidité du substrat et du confinement spatial sur la différenciation des cellules souches en cardiomyocytes. Grâce à des techniques de microfabrication sur substrat mou, il a été possible de positionner précisément les cellules souches pluripotentes dans des espaces restreints d’élasticité variable. Ainsi, nous avons pu observer que même en utilisant des protocoles chimiques éprouvés basés sur la modulation de cascades de signalisation impliquées dans le développement cardiaque, une très forte hétérogénéité pouvait apparaître en fonction de l’environnement physique des cellules. Nous avons ainsi pu extraire les caractéristiques principales permettant une différenciation cardiaque efficace, reproductible et standardisée et les avons appliquées à la fabrication d’une nouvelle génération de patches composés de matériaux cliniques et de couches multiples de bandes synchrones de cardiomyocytes. De fait, ces travaux ouvrent de nouvelles voies dans l’utilisation de biomatériaux pour la production industrielle de cardiomyocytes et pour la fabrication de patches cliniques, cellularisés ou non, dans le traitement de l’insuffisance cardiaque. / Cell therapy is a promising strategy to help regenerate the damaged heart. Recent studies have placed a lot of hopes in embryonic stem cells and our lab had previously found a way to differentiate them into cardiac progenitors, cells that can only differentiate into cardiomyocyte, endothelial cells or smooth muscle cells. This early commitment decreases their proliferative capabilities, yet maintains their plasticity for better integration inside the host tissue. However, clinical and pre-clinical injection studies did not really meet the expectations. Even though slight improvements in cardiac function were demonstrated, very low cell viability has been observed, as well as a very low retention of the cells inside the myocardium. To address this problem, my PhD projects not only focus on the design of new biomaterials to act as a vehicle for cell delivery and retention in the infarcted area, but also on the design of biomaterials that control the cellular environment during the differentiation of pluripotent stem cells into cardiomyocytes. Going back and forth between the labs and the clinics, we first developed new techniques for the fabrication and the characterization of a cell-laden fibrin patch that is now undergoing phase I clinical trial. From the approved clinical formulation, we then propose new blends of clinical materials that will eventually improve the maturation of the cardiac progenitors once grafted onto the failing heart. In this perspective, we developed an in vitro model to investigate the combined influence of matrix elasticity and topographical confinement on stem cell differentiation into cardiomyocytes. By using microfabrication techniques to pattern pluripotent stem cells on substrates of controlled stiffness, we demonstrate that even using a widely recognized chemical-based protocol to modulate signaling cascades during differentiation, much heterogeneity emerges depending on the cellular physical environment. We thus extracted the main features that led to controlled and reproducible cardiac differentiation and applied it to the fabrication of next generation of multi-layered anisotropic cardiac patches in compliances with clinical requirements. This work opens new routes to high-scale production of cardiomyocytes and the fabrication of cell-laden or cell-free clinical patches.