Les glioblastomes comptent parmi les cas les plus répandus et agressifs de tumeurs cérébrales. Ils sont généralement traités avec une combinaison de résection chirurgicale, suivie de chimiothérapie et radiothérapie. Cependant, le caractère infiltrant de la tumeur rend son traitement particulièrement délicat. La personnalisation de modèles biophysiques permet d’automatiser la mise au point de thérapies spécifiques au patient, en maximisant les chances de survie. Dans cette thèse nous nous sommes attachés à élaborer des outils permettant de personnaliser la radiothérapie des glioblastomes. Nous avons tout d’abord étudié l’impact de la prise en compte de l’œdème vasogénique. Notre étude rétrospective se fonde sur une base de donnée de patients traités avec un médicament anti-angiogénique, révélant a posteriori la présence de l’œdème. Ensuite, nous avons étudié le lien entre l’incertitude due à la segmentation de la tumeur et la distribution de la dose. Pour se faire, nous avons mis au point une méthode permettant d’échantillonner efficacement de multiples segmentations réalistes, à partir d’une unique segmentation clinique. De plus, nous avons personnalisé un modèle de croissance tumorale aux images IRM de sept patients. La méthode Bayésienne adoptée permet notamment d’estimer l’incertitude sur les paramètres personnalisés. Finalement, nous avons montré comment cette personnalisation permet de définir automatiquement la dose à prescrire au patient, en combinant le modèle de croissance tumoral avec un modèle de réponse à la dose délivrée. Les résultats prometteurs présentés ouvrent de nouvelles perspectives pour la personnalisation de la radiothérapie des tumeurs cérébrales. / Glioblastomas are among the most common and aggressive primary brain tumors. It is usually treated with a combination of surgical resection, followed with concurrent chemo- and radiotherapy. However, the infiltrative nature of the tumor makes its control particularly challenging. Biophysical model personalization allows one to automatically define patient specific therapy plans which maximize survival rates. In this thesis, we focused on the elaboration of tools to personalize radiotherapy planning. First, we studied the impact of taking into account the vasogenic edema into the planning. We studied a database of patients treated with anti-angiogenic drug, revealing a posteriori the presence of the edema. Second, we studied the relationship between the uncertainty in the tumor segmentation and dose distribution. For that, we present an approach in order to efficiently sample multiple plausible segmentations from a single expert one. Third, we personalized a tumor growth model to seven patients’ MR images. We used a Bayesian approach in order to estimate the uncertainty in the personalized parameters of the model. Finally, we showed how combining a personalized model of tumor growth with a dose response model could be used to automatically define patient specific dose distribution. The promising results of our approaches offer new perspectives for personalized therapy planning.

Cette thèse s'inscrit dans la recherche des propriétés mécaniques de la fibre de chromatine et de leur rôle. Après un rappel de connaissances sur la chromatine, nous introduisons les techniques de manipulations de molécules uniques en biophysique. Nous esposons ensuite le dispositif de pince optique que nous avons mis en œuvre ainsi que les développements plus récents de manipulations à l'aide d'un champ magnétique rotatif.<br />Nous discutons alors des résultats obtenus sur la transition B-S de l'ADN et tentons de les interpréter en invoquant une différence de comportement sous étirement selon que la séquence est riche en A-T ou en G-C. <br />Les résultats des étirements sur trois principaux types de chromatine sont ensuite présentés : force nécessaire à la rupture d'un nucléosome et longueur d'ADN libérée. En faisant varier les conditions d'étirements (essentiellement concentrations salines et concentrations en chromatine exogène), en modifiant la composition de la fibre de chromatine, nous montrons que le nucléosome n'est pas une entité stable dans les conditions diluées classique des expériences sur molécules uniques. Nous confirmons par ailleurs ce résultats avec des expériences de dilution suivit d'analyse sur gel d'électrophorèse. Les résultats établis après stabilisation nous invitent à poursuivre la discussion du déroulement du nucléosome sous tension à partir d'un modèle existant. Sur la base de ces résultats, nous tentons alors de donner une interprétation du déroulement du nucléosome que nous recadrons dans le contexte de la régulation génétique à l'échelle du nucléofilament.

Nous avons exploré la capacité des émulsions à adhérer de manière spécifique à des surfaces modèles solides et notamment la relation entre la composition des gouttes à leur interface et la formation d'un angle de contact macroscopique. Nous avons développé une méthode de fonctionnalisation covalente in-situ de l'interface liquide de gouttes d'émulsion H/E par de la biotine puis par de la streptavidine. La distribution de taille et la densité de streptavidine à la surface des gouttes sont caractérisées à l'aide d'une technique originale utilisant un cytomètre à flux. Nous avons montré que l'angle de contact et l'énergie d'adhésion croissent linéairement en fonction de la densité de biotine sur la lamelle et nous avons observé une répartition spatiale différente (disque, couronne) de la streptavidine dans la zone de contact suivant la densité totale en PEG, suggérant une transition de phase à 2D.

La cellule remodèle sa membrane en permanence, ce qui entraîne la formation de tubes de membrane façonnés par des protéines. Nous étudions trois cas impliquant de tels tubes. Le premier est le polymère hélicoïdal de dynamine, qui enveloppe les tubes de membrane puis les coupe en hydrolysant le GTP. Nous montrons que le recrutement de la dynamine dépend de la courbure de la membrane. Nous formulons des hypothèses et proposons des expériences pour comprendre la nucléation du polymère de dynamine et ses interactions avec la membrane. Nous donnons une description hydrodynamique généralisée du changement de conformation coopératif de la dynamine induit par le GTP et réconcilions des résultats expérimentaux apparemment contradictoires par des arguments mécaniques. La dynamique aux temps longs de l'assemblage dynamine-membrane est diffusive et dominée par une friction effective entre dynamine et membrane, ce qui est confirmé expérimentalement. Notre second sujet est le complexe ESCRT-III, qui tubule les membranes planes de l'intérieur. Nous expliquons cette déformation par une instabilité de flambage inédite se produisant lorsque des filaments courbés qui s'attirent se lient à la membrane. Cette hypothèse peut être vérifiée expérimentalement. Un régime métastable pour la membrane plane est mis en évidence, et pourrait être utilisé par la cellule pour former des tubes rapidement. Troisièment, nous nous tournons vers les stéréocils, des protrusions cellulaires à base d'actine essentielles pour l'audition. Nous expliquons leur forme par la dynamique de détachement de protéines liant l'actine, et rendons compte de résultats expérimentaux. Si ces protéines sont autorisées à se réattacher, notre modèle prévoit une transition de phase dynamique vers un état de croissance non-bornée, et des simulations numériques suggèrent que la longueur des protrusions diverge en loi de puissance avec un exposant anormal.

Lorsque l'on étudie la physique des interactions entre surfaces, on peut à juste titre se demander s'il est possible d'apporter encore quelque chose d'original, au XXIe siècle, bien après, entre autres, les travaux de Young, Laplace, van der Waals, Hamaker, Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek, Lifshitz, Cahn, de Gennes, Helfrich...<br /> En s'appuyant sur nos expériences originales de mouillage et de physique des colloïdes, nous nous efforçons de montrer que tous les concepts utiles pour comprendre les interactions entropiques ou de van der Waals entre surfaces inertes sont en place depuis plus de vingt ans. Nous montrons ensuite, à travers l'étude expérimentale du couple streptavidine-biotine, qu'en ce qui concerne les interactions spécifiques entre molécules biologiques reliées à des surfaces, il reste encore beaucoup à comprendre. Nous illustrons par ailleurs les limites de l'approche du physicien à travers l'étude expérimentale des interactions entre cadhérines, molécules biologiques directement impliquées dans l'adhésion cellulaire.<br />Enfin, nous présentons des études d'interactions entre surfaces d'objets en mouvement ainsi que deux projets de recherches concernant les liens entre les interactions entre surfaces colloïdales et la rhéophysique des colloïdes.

La thèse présentée est centrée sur des mesures de force appliquées à des ARN seuls ou en interaction avec une protéine. L'un des plus grands défis posé par l'ARN provient de sa structure, notamment parce que les interactions de ses bases ne se limitent pas aux paires de type Watson-Crick et que les interactions tertiaires sont courantes. Les mesures de force donnent des informations complémentaires aux mesures classiques, car elles permettent de sonder directement les interactions complexes de l'ARN et fournissent des paramètres thermodynamiques inaccessibles autrement. L'étude de l'interaction protéine-ARN par mesure de force permet également d'accéder à des caractéristiques que les autres techniques ne peuvent pas offrir. Néanmoins avant d'atteindre les promesses de ce type de mesure, il faut concevoir un montage adapté et optimisé. Une première partie de la thèse a été dédiée à la conception d'une double pince optique permettant l'étude des ARN avec une résolution proche de la paire de base, en implantant notamment des améliorations techniques jusque là absentes de la littérature. La suite de la thèse s'est attachée à des études biologiques. Nous avons commencé par sonder l'interaction de la protéine ribosomique L20 avec son ARN cible dans le ribosome. Nous avons montré que cette protéine très importante dans les premiers stades de la formation du ribosome, stabilise fortement son ARN cible. Nous avons également déterminé son site de fixation à trois bases près. Nous avons ensuite débuté une étude sur des ARN synthétisés pour l'étude d'une hélicase à motif DEAD en caractérisant leurs réponses à une sollicitation mécanique.

Les nanomatériaux posent de nouvelles questions en termes de toxicologie humaine et environnementale et représentent une nouvelle interface avec le milieu biologique aux propriétés spécifiques. De nombreuses inconnues demeurent, en particulier à l'échelle moléculaire, pour permettre d'expliquer certains mécanismes de toxicité. Lorsqu'elles entrent en contact avec le milieu biologique, les nanoparticules se couvrent d'une couche de protéines adsorbées. Celle-ci leur confère une nouvelle " identité biologique " qui contrôle la réponse cellulaire et leur devenir au sein de l'organisme. Nous avons étudié l'adsorption de protéines modèles sur la silice nanostructurée. Après avoir caractérisé la silice nanoporeuse et les nanoparticules de silice utilisées, l'adsorption de la myoglobine, de l'hémoglobine et des protéines d'un extrait cellulaire de levure a été étudiée afin de déterminer les paramètres physico-chimiques et thermodynamiques de l'adsorption des protéines sur la silice. Un enrichissement en résidus basiques, regroupés en clusters de charge, favorise l'adsorption des protéines grâce à la formation d'interactions électrostatiques avec la surface chargée de la silice, indépendamment de la charge globale de la protéine. A l'inverse, un enrichissement en résidus aromatiques est défavorable à l'adsorption car ces résidus forment des interactions π-π qui rigidifient la structure de la protéine. L'identification des protéines adsorbées et non adsorbées à partir d'un milieu complexe pourrait également être utilisée pour les études de toxicité cellulaire. A partir de l'étude de la structure, de la dynamique et de l'activité de la myoglobine et de l'hémoglobine adsorbées sur les nanoparticules de silice, nous avons cherché à définir l'état d'une protéine adsorbée. L'étude de la structure, réalisée par dichroïsme circulaire, spectroscopie UV-visible, d'absorption X, infrarouge, fluorescence et microcalorimétrie, montre une perte partielle de structure importante des protéines adsorbées associée à une grande hétérogénéité de conformations, sans modification majeure de la structure de l'hème. Deux sites potentiels d'interaction entre myoglobine et nanoparticules de silice ont été identifiés à l'aide d'une technique de cartographie de surface par irradiation. L'étude de la dynamique de la myoglobine adsorbée par diffusion élastique et inélastique de neutrons a permis de montrer que l'adsorption s'accompagnait d'une diminution importante de la flexibilité de la protéine. Malgré la perte de structure, la metmyoglobine adsorbée conserve une activité de fixation de ligands très proche de celle de la protéine libre. L'hémoglobine adsorbée présente de façon inattendue une augmentation de son affinité pour l'oxygène et une diminution de sa coopérativité, sans dissociation du tétramère. Cet effet est reproductible lors de l'adsorption de l'hémoglobine humaine, de l'hémoglobine pontée DCL et de l'hémoglobine mutée S. Deux effecteurs permettent par ailleurs de moduler l'affinité de l'hémoglobine adsorbée. Aussi importantes soient-elles, les modifications de structure et d'activité observées sont entièrement réversibles après désorption dans des conditions douces. L'adsorption des hémoprotéines sur les nanoparticules de silice représente véritablement un nouveau type de stress avec résilience pour les protéines en termes de relations entre structure, dynamique et activité.

The physical understanding of biological processes such as transcription requires the knowledge of double-stranded DNA (dsDNA) physics. A notable thermo- dynamic property of dsDNA is its denaturation, at the melting temperature, in which it unwinds into two single-stranded DNAs via the formation of denat- uration bubbles (segment of consecutive unpaired base-pairs). The dynamics of denaturation has been studied so far at the base-pair (bp) scale, ignoring conformational chain degrees of freedom. These studies do not explain the very long closure times of 20 to 100 s, measured by Altan-Bonnet et al., of 18 bps long bubbles at room temperature. In this thesis, we study the closure of pre-equilibrated large bubbles, by using Brownian dynamics simulations of two simple DNA coarse- grained models. We show that the closure occurs via two steps: rst, a fast zipping of the initial bubble occurs until a meta-stable state is reached, due to the large bending and twisting energies stored in the bubble. Then, the meta-stable bubble closes either via rotational di usion of the sti side arms until their alignment, or bubble di usion until it reaches the chain end, or locally by thermal activation, depending on the DNA length and elastic moduli. We show that the physical mechanism behind these long timescales is therefore the dynamical coupling between base-pair and chain degrees of freedom.

En 1889, le clinicien Stefen Paget proposa l'hypothèse de " la graine et du terroir " pour expliquer la progression tumorale. La graine - la tumeur - ne peut pousser que dans le bon terroir - le microenvironnement tumoral. Durant le développement du cancer, la tumeur et ce microenvironnement sont en constant dialogue biochimique. Nous nous sommes intéressés durant cette thèse à l'hypothèse de Paget d'un point de vue mécanique : le terroir mécanique peut-il influencer la progression tumorale ? Nous avons choisi une approche in vitro afin de découpler les influences biochimiques et mécaniques. Nous avons travaillé avec des sphéroïdes multicellulaires, petites boules de cellules tumorales qui imitent remarquablement bien une tumeur. Nous avons développé une méthodologie nous permettant d'exercer des contraintes mécaniques sur des sphéroïdes, et nous avons étudié l'influence de telles contraintes. Nous avons montré qu'une contrainte mécanique influence le développement tumoral. Une contrainte mécanique réduit fortement la croissance d'un sphéroïde, et ce de manière réversible. Le volume des cellules au centre est diminué, ce qui semble déclencher un arrêt de la prolifération. Nous avons également montré que la division cellulaire est source de flux cellulaires à l'intérieur d'un sphéroïde, et que ces flux peuvent être inhibés par l'application d'une contrainte. Enfin, nous avons observé qu'une contrainte mécanique peut promouvoir l'envahissement d'une matrice de collagène par un sphéroïde. En conclusion, qu'un dialogue mécanique restreigne la progression tumorale ou la promeuve, il en est un élément intrinsèque.

Ce projet de recherche conjugue deux aspects complémentaires : le développement d’un montage de microscopie intégrant un système d'Optique Adaptative (OA) et l’étude de masses cancéreuses (Sphéroïdes Multicellulaires) sous pression mécanique.Ces deux axes seront mutuellement bénéfiques puisque l’implémentation de l’OA rendra possible l’imagerie et les mesures physiques au sein des sphéroïdes ; d’un autre côté, l’étude des sphéroïdes permettra de caractériser les aberrations induites par ce type d’échantillons et de mieux comprendre les exigences sur le système d’OA qu’imposent l’observation de ces échantillons ainsi que les limites de la microscopie optique dans les tissus biologiques. / This research project combines two complementary aspects: the development of an assembly incorporating an Adaptive Optics microscope system and the study of cancerous masses (multicellular spheroids) under mechanical pressure.These two axes are mutually beneficial since the implementation of the adaptive optics will enable imaging and physical measurements in spheroids; On the other hand, the study of spheroids will characterize the aberrations induced by this type of samples and understand the requirements of the adaptive optics system imposed by the observation of these samples as well as the limits of optical microscopy in biological tissues.