Les particules fines émises par l'activité humaine sont la cause de diverses pathologies pulmonaires et cardiaques. Les particules de taille inférieure à 100 nm, appelées nanoparticules, sont particulièrement nocives car une fois inhalées, elles peuvent atteindre les alvéoles pulmonaires, lieux des échanges gazeux. Dans les alvéoles, les nanoparticules entrent d'abord en contact avec le surfactant pulmonaire. Ce fluide biologique tapisse les cellules épithéliales des alvéoles sur une épaisseur de quelques centaines de nanomètres et est composé de phospholipides et de protéines, les phospholipides étant assemblés sous forme de vésicules et corps multi-lamellaires. Dans ce travail, nous avons sélectionné des nanoparticules modèles de nature différente connues pour leur toxicité cellulaire (latex, oxydes métalliques, silice). Leur interaction avec un fluide pulmonaire mimétique administré aux prématurés (Curosurf®) a été étudiée en détail par microscopie optique et électronique, et par diffusion de la lumière. Nous avons mis en évidence que cette interaction est non spécifique et d'origine électrostatique. La diversité des structures hybrides obtenues entre particules et vésicules témoigne cependant de la complexité de cette interaction. En contrôlant cette interaction, nous avons formulé des particules couvertes d’une bicouche supportée de Curosurf® qui possèdent des propriétés remarquables de stabilité et de furtivité en milieu biologique.Dans une seconde partie, nous avons étudié le rôle du surfactant pulmonaire sur l’interaction entre particules et cellules épithéliales alvéolaires (A459). A l'aide d'expériences de biologie cellulaire réalisées in vitro, nous avons observé que la présence de surfactant diminue de manière significative le nombre de particules internalisées par les cellules. Dans le même temps, nous avons constaté une augmentation importante de la viabilité cellulaire. Une conclusion majeure de notre travail concerne la mise en évidence du rôle protecteur joué par le surfactant pulmonaire dans les mécanismes d'interaction des nanoparticules avec l'épithélium alvéolaire / Particulate matter emitted by human activity are the cause of various pulmonary and cardiac diseases. After inhalation, nanoparticles (ie particles smaller than 100 nm) can reach the pulmonary alveoli, where the gas exchanges take place. In the alveoli, the nanoparticles first encounter the pulmonary surfactant which is the fluid that lines the epithelial cells. Of a few hundreds of nanometers in thickness, the pulmonary fluid is composed of phospholipids and proteins, the phospholipids being assembled in multilamellar vesicles. In this work, we considered model nanoparticles of different nature (latex, metal oxides, silica). Their interaction with a mimetic pulmonary fluid administered to premature infants (Curosurf®) was studied by light scattering and by optical and electron microscopy. We have shown that the interaction is non-specific and mainly of electrostatic origin. The wide variety of hybrid structures found in this work attests however of the complexity of the phospholipid/particle interaction. In addition, we succeeded in formulating particles covered with a Curosurf® supported bilayer. These particles exhibit remarkable stability and stealthiness in biological environment. In a second part, we studied the role of the pulmonary surfactant on the interactions between nanoparticles and alveolar epithelial cells (A459). With cellular biology assays, we observed that the number of internalized particles decreases dramatically in presence of surfactant. At the same time, we found a significant increase in the A459 cell viability. Our study shows the importance of the pulmonary surfactant in protecting the alveolar epithelium in case of nanoparticle exposure

Après le génome, le nouveau défi est celui du protéome. Nous avons progressé vers la mise au point de la séparation électrophorétique des protéines membranaires dans un milieu qui leur conviendrait, type bicouche lipidique supportée. La grandeur principale, mesurée par FRAPP, a été le coefficient de diffusion de lipides ainsi que des protéines. L'étude du comportement de la bicouche supportée a permis de mettre en évidence, pour certains supports et dans certaines conditions de température, la formation d'une phase ondulée (ou ripple) malgré la proximité du support. La diminution de la portée des interactions coulombiennes par adjonction de sel se traduit par une augmentation de plusieurs ordres de grandeur du coefficient de diffusion, approchant au final le comportement d'une bicouche libre, tout en conservant les étapes caractéristiques de la transition gel/fluide. L'ordre de grandeur de ces énergies d'interactions a été estimé à partir des courbes D= f(T) et validé par une étude préliminaire originale de DSC sur des bicouches lipidiques supportées. L'α-Hémolysine s'insère spontanément sous forme d'un pore heptamérique dans nos bicouches supportées et diffuse librement. En l'incubant en phase mixte (zones gel+ zones fluide), nous observons la formation de complexes de protéines. La dépendance du coefficient de diffusion avec la taille de l'objet est en 1/R2, R étant le rayon équivalent de la partie insérée de l'objet. L'application d'un champ électrique montre un transport électrophorétique dont la direction et l'importance sont modulées par la charge de l'objet. La mobilité électrophorétique varie également en 1/R2. / After the genome, the new challenge is the proteome. We have progressed toward electrophoretic separation of membrane proteins in a medium that they love, a supported lipid bilayer. The main parameter, measured by FRAPP, was the diffusion coefficient of different objects (lipids, proteins). Studying bilayer behaviour has showed that, on particular supports and in a given temperature range, ripple phase can exist, despite the proximity of the support. Adding salt decreases coulombic interactions which turns to increase the diffusion coefficient over several orders of magnitude, reaching the value for a free-standing bilayer in the fluid phase, meanwhile the main characteristic steps of the global gel/fluid transition are still observed. Estimation of the value of the interaction energy has been made and compared to results of a preliminary DSC study. α-Hémolysin self-inserts spontaneously as an heptameric pore in supported bilayers and diffuses freely. Incubating in a gel/fluid mixture leads to protein complex formation. Diffusion varies with size as 1/R2, R being the equivalent radius of the inserted part of the object. Applying an electric field results in an electrophoretic motion where direction and magnitude are modulated by the charge of the object. Electrophoretic mobility varies also as 1/R2. Size dependence, magnitude of mobilities and a simple building protocol allow to hope carrying out soon a real electrophoretic separation of a protein mixture.

Les membranes biologiques sont impliquées dans divers mécanismes comme la reconnaissance moléculaire ou encore la fusion membranaire. Les lipides, principaux composants des membranes, sont inhérents à ces processus cellulaires, mais leur organisation et leur rôle fonctionnel au sein de ces systèmes sont très complexes. Dans ce travail, nous avons utilisé des modèles membranaires mimant ces systèmes biologiques pour identifier les interactions mises en jeu avec divers agents exogènes (AEs), en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Nous avons donc travaillé sur deux AEs différents qui interagissent potentiellement avec ces membranes. Le premier intervient directement dans le cadre de l'étude du paludisme. Le mécanisme moléculaire de cette maladie (impliquant probablement des structures lipidiques) n'étant pas clair, la compréhension de celui-ci faciliterait le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou cibles thérapeutiques. Parallèlement notre étude s'est portée sur l'interaction des nanoparticules (NPs) de TiO2, notre second AE, avec les membranes. Très utilisées dans l'industrie, ces NPs de TiO2 pourraient avoir un impact sur la santé humaine, en interagissant notamment avec les membranes cellulaires. Des techniques biophysiques classiques ont tout d'abord été utilisées pour évaluer l'interaction de l'AE avec des systèmes biomimétiques. Ensuite, lorsque celle-ci est prouvée, l'AFM est utilisée pour visualiser les changements morphologiques des modèles membranaires en présence de ces AEs. Ainsi, pour chaque AE, nous avons finalement suggéré un mécanisme d'interaction afin de répondre aux problématiques soulevées. / Biological membranes play a crucial role as a biological barrier but, paradoxically, they were involved in various precesses : as a molecular recognition, enzymatic catalysis, or membrane fusion. Lipids, as a main component of membranes, are entailed in these process but composition, organization, and functional role in these biological systems are quite complex. Here, we use lipid models mimicking biological membrane to identify their interaction mechanisms with various exogenous agents (EAs) like peptides, nanoparticules, drugs, proteins, using atomic force microscopy (AFM). In this project, we worked on two different molecules which interact potentially with biological membrane. The first one was a molecule directly implicated in malaria disease. In fact, the molecular mechanism, probably involving lipid membranes, is still unclear. The understanding of this mechanism would participate to find new antimalarial drug or new therapeutic targets. The second EA studied was titanium dioxide nanoparticules (TiO2 NPs). Widely used in industry, this product from nanotechnology's development could have an impact on human health, whose potential toxicity mechanism still unknown. Biophysical techniques such as fluorescence spectroscopy, Langmuir monolayer were used to evaluate the potential interaction of the EAs with biomimetic membranes. Then, when the interaction was proved, AFM was used in order to visualize the effects inferred by these EAs. Using supported lipid bilayers, we imaged their behavior after injection of the EA concerned, at the nanometer scale. For each EA, we could suggest a mechanism of interaction and respond to the issues raised.

Les membranes biologiques sont impliquées dans divers mécanismes comme la reconnaissance moléculaire ou encore la fusion membranaire. Les lipides, principaux composants des membranes, sont inhérents à ces processus cellulaires, mais leur organisation et leur rôle fonctionnel au sein de ces systèmes sont très complexes. Dans ce travail, nous avons utilisé des modèles membranaires mimant ces systèmes biologiques pour identifier les interactions mises en jeu avec divers agents exogènes (AEs), en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Nous avons donc travaillé sur deux AEs différents qui interagissent potentiellement avec ces membranes. Le premier intervient directement dans le cadre de l'étude du paludisme. Le mécanisme moléculaire de cette maladie (impliquant probablement des structures lipidiques) n'étant pas clair, la compréhension de celui-ci faciliterait le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou cibles thérapeutiques. Parallèlement notre étude s'est portée sur l'interaction des nanoparticules (NPs) de TiO2, notre second AE, avec les membranes. Très utilisées dans l'industrie, ces NPs de TiO2 pourraient avoir un impact sur la santé humaine, en interagissant notamment avec les membranes cellulaires. Des techniques biophysiques classiques ont tout d'abord été utilisées pour évaluer l'interaction de l'AE avec des systèmes biomimétiques. Ensuite, lorsque celle-ci est prouvée, l'AFM est utilisée pour visualiser les changements morphologiques des modèles membranaires en présence de ces AEs. Ainsi, pour chaque AE, nous avons finalement suggéré un mécanisme d'interaction afin de répondre aux problématiques soulevées.

L'Annexine A5 (Anx5) est une protéine de la famille des annexines qui présente la propriété de s'organiser à la surface des bicouches lipidiques en trimères et en assemblages bidimensionnels (2D) de trimères. Ce travail de thèse concerne le développement d'applications biotechnologiques des assemblages 2D d'Anx5 ainsi qu'une étude des propriétés fonctionnelles de ces assemblages. Ces travaux ont été réalisés principalement à l'aide des méthodes de la microbalance à cristal de quartz avec mesure de dissipation (QCM-D) et de la microscopie à force atomique (AFM). <br />La première partie de cette thèse concerne le développement de plates-formes d'ancrage basées sur des assemblages 2D de protéines dérivées de l'Anx5. Des complexes covalents entre l'Anx5 et des peptides d'adhésion cellulaire pour la réalisation de plates-formes d'ancrage de cellules. Des protéines de fusion entre l'Anx5 et un fragment de la protéine A ont d'autre part servi au développement de plates-formes 2D pour l'immobilisation contrôlée d'anticorps et de protéines. <br />La seconde partie de cette thèse concerne l'étude des propriétés fonctionnelles des assemblages 2D d'Anx5. L'étude de l'interaction d'un anticorps anti-phospholipide avec les assemblages 2D d'Anx5 montre que cet anticorps ne perturbe pas l'organisation 2D de l'Anx5. La seconde étude concernant l'influence des assemblages 2D de l'Anx5 sur la dynamique des bicouches lipidiques établie une corrélation entre la formation de trimères et le ralentissement de la dynamique des membranes.<br />Ces travaux contribuent à notre compréhension des propriétés des assemblages 2D d'Anx5 et permettent d'envisager le développement de biocapteurs pour cellules ou molécules.

L’Annexine A5 (AnxA5) est une protéine soluble se liant aux membranes contenant de la phosphatidylsérine (PS) en présence de calcium (Ca2+). Le rôle central joué par l’AnxA5 dans les processus de réparation membranaire a été récemment mis en évidence. L’AnxA5 possède une très forte affinité pour les membranes biologiques contenant de la PS, cependant son mode de liaison aux membranes n’est pas encore élucidé.La première partie de mon travail de thèse a concerné le développement d’une approche originale d’étude de la liaison de l’AnxA5 à des microsphères de silice fonctionnalisées par une bicouche lipidique (µPSiO2@SLB pour supported lipid bilayer), par cytométrie en flux (FCM). Cette approche m’a permis d’étudier la liaison à l’équilibre et en cinétique à très faible concentration en AnxA5, de l’ordre du picomolaire. Cette approche représente une des méthodes les plus sensibles d’étude de liaison à l’équilibre et la première permettant d’accéder aux constantes cinétiques d’interaction pour l’AnxA5. Cette étude m’a également permis de mettre au point une stratégie de dosage indirect de liposomes contenant de la PS avec une sensibilité de l’ordre du nanogramme de lipides par millilitre.La seconde partie de ma thèse a concerné l’étude de microparticules (MP), fragments de membranes cellulaires présents dans les fluides biologiques. Dans le plasma sanguin la majorité des MP sont d’origine plaquettaire et exposent de la PS. Il existe une corrélation entre la concentration en MP plasmatiques exposant de la PS et le développement de pathologies thrombotiques. La FCM est la méthode de référence dans l’étude des MP cependant leur détection est rendue difficile par leur petite taille. J’ai appliqué aux MP plasmatiques le test de dosage développé pour les liposomes. Les résultats obtenus sont prometteurs et permettent d’envisager le développement d’un test de dosage de l’ensemble des MP exposant de la PS. / Annexin-A5 (AnxA5) is a soluble membrane binding protein that binds to phosphatidylserine (PS) containing membranes in a calcium dependent manner and plays a central role in cell membrane repair processes. AnxA5 has a remarkably high affinity for PS containing membranes, but its binding mechanism remains unclear.The first part of my PhD work was to develop a new method for studying AnxA5 binding using supported lipid bilayer functionalized silica microspheres (µPSiO2@SLB) and Flow Cytometry (FCM). This approach allowed me to describe in details both equilibrium and kinetics of AnxA5 binding at picomolar concentrations in AnxA5. This study is one of the most sensitive for equilibrium binding studies and the first allowing to measure binding kinetics constants for AnxA5. This study also led to the development of a new strategy for determination of liposome concentration with sensitivity in the range of one nanogram of lipid per milliliter. The second part of my work focused on microparticles (MP) that are cell membrane fragments found in biological fluids. In plasma, the vast majority of MP originates from platelets and expresses PS at their surface. There is a correlation between MP concentration in plasma and thrombotic risk. FCM is the “golden standard” of hæmatologic analysis but the majority of MPs are too small to be detected. I have applied the test developed with liposomes for the quantification of MP. The results are promising and allow foreseeing the development of a test able to give the absolute quantity of PS exposing MPs in plasma samples.

Les canaux ioniques sont des protéines membranaires permettant le transport ionique au travers des membranes biologiques. Du fait de leur omniprésence dans l'organisme, ils représentent une classe de cibles thérapeutiques encore actuellement peu exploitée du fait de limitations expérimentales dans leur étude. La mesure électrique de l'activité des canaux ioniques au sein de bicouches biomimétiques reconstituées in vitro permettrait de répondre à ces limitations. Cependant, il n'existe actuellement pas de système satisfaisant au cahier des charges complet pour de telles analyses : stabilité et pureté de la bicouche, faible niveau de bruit, insertion rapide des canaux ioniques, intégration dans un dispositif fluidique, possibilité de mener une caractérisation optique simultanée. L'objectif de ces travaux de thèse était d'évaluer dans quelle mesure l'utilisation d'un substrat SOI (Silicon On Insulator) comprenant des nanopores pourrait permettre de répondre à tous ces critères. Des nanopores de diamètre compris entre 10 nm et 160 nm ont été réalisés à partir d'un substrat SOI. Une cellule fluidique transparente est utilisée pour l'adressage fluidique. Cette cellule permet d'autre part la double caractérisation électrique et optique. Les propriétés électriques en milieu liquide du dispositif ont été étudiées et permettent de dégager des perspectives d'amélioration. La double caractérisation électrique et optique est démontrée au moyen d'expériences de capture de nanoparticules fluorescentes sur les nanopores. Enfin, des premiers résultats prometteurs d'obtention d'une bicouche lipidique suspendue sont présentés. / Ion channels are membrane proteins responsible for ion transport across biological membranes. Due to their ubiquity, they are promising drug targets but are not yet fully exploited as such due to experimental restrictions in their study. Electrical measurement of ion channels activity within in vitro artificial lipid bilayers would enable to overcome these restrictions. However, there is not yet a system satisfying all the requirements for ion channels studies: stability and purity of the lipid bilayer, low noise level, fast insertion of ion channels, fluidic integration, ability to perform simultaneous optical characterization. The aim of this phD was to assess in which extent the use of an SOI (Silicon On Insulator) substrate bearing nanopores could satisfy all these requirements. 10 nm to 160 nm diameter nanopores were fabricated in an SOI substrate and characterized. A transparent fluidic cell was used for fluidic addressing. This transparent cell allows combined electrical and optical characterization. Electrical properties of the device in aqueous environment were studied, allowing to bring out improvement prospects. The combined electrical and optical characterization was demonstrated with fluorescent nanoparticle trapping experiments on the nanopores. Finally, promising results about the formation of a free-standing lipid bilayer are presented.