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Connaître en temps réel la réponse et le comportement des cellules et organismes modèles suite à des changements de leur environnement, ou à des modulations de leurs fonctions biologiques est devenu essentiel dans les sciences du vivant. Ces réponses nous permettent ensuite de comprendre les mécanismes qui régissent le fonctionnement des cellules vivantes, avec des implications en recherche fondamentale, appliquée et biomédicale. Un des plus gros défis technologiques reste le contrôle des paramètres environnementaux en microscopie haute résolution. De nos jours, aucun système ne permet de réguler un ensemble complexe de paramètres de manière précise, dynamique et simultanée tout en observant les cellules dans leur environnement. L’objectif de ma thèse est de mettre au point un tel dispositif permettant a minima une régulation fine de la température, de la composition du milieu, et notamment de la concentration de divers drogues. Ce système doit être compatible avec les applications les plus poussées en microscopie photonique. Mon approche au cours de ma thèse pour élaborer un tel système est l’utilisation de la microfluidique. En effet, c’est la seule technologie qui puisse de réaliser un tel multiplexage. Elle permet de manipuler des petites quantités de fluide à travers un système contenant des canaux de dimensions allant du micromètre au centimètre. Cet ordre de grandeur des canaux constitue un atout majeur (réduction de la consommation des réactifs, réduction des couts, cinétiques des réactions chimiques et biologiques élevées, temps de diffusion court, etc.) et permet d’allier les expériences biologiques à la microscopie. Mon objectif est de concevoir une puce microfluidique qui représentera un pas technologique majeur et ouvrira de nouvelles possibilités de recherche. / Monitoring in real-time the response of cells and model organisms to the changes in their environment or to modulations of their biological functions has become essential in life sciences. One of the main technical challenges for biologists is the precise and dynamic control of various environmental parameters while doing high-resolution microscopy. My thesis consists of building a robust and versatile system, dedicated to live-cell imaging that will be compatible with adherent and non adherent models, that could provide a precise and simultaneous control of 1) the temperature, 2) the media exchanges and 3) the drug concentration while doing photonic microscopy. My approach is to use microfluidics, which is the best candidate in order to achieve this system and provides all the necessary controls of micro-scaled volumes for culturing, maintaining or analyzing cells. It produces miniaturized systems used as tools for biological experiments, in which channels of a micro-scaled dimension are used for the fluid circulation. The laminar flow in these chips allows fast molecule diffusion as well as fast temperature diffusion. Because of the high surface to volume ratio, the consumption of reagents is reduced, and media switches can be fast. This system will represent a major technical and beneficial step and will open new possibilities of research in biology.

Dans cette thèse, nous avons construit et optimisé des méthodes de microscopie de fluorescence super-résolue stochastique, polarisée et quantitative qui nous permettent d'imager l'orientation moléculaire dans des environnements dynamiques et statiques a l’échelle de la molécule unique et avec une résolution nanoscopique. En utilisant un montage de microscopie super-résolue à lecture stochastique en combinaison avec une détection polarisée, nous avons pu reconstruire des images d'anisotropie de fluorescence avec une résolution spatiale de 40 nm. En particulier, nous avons pu imager l'ordre orientationnel d'assemblages biomoléculaires et cellulaires. Pour l'imagerie cellulaire, nous avons pu étudier la capacité d'étiquettes de marquer fluorophoresde reporter quantifier l'orientation moléculaire dans l'actine et les microtubules dans des cellules fixées. Nous avons également mis à profit la meilleure résolution et la détection polarisée pour étudier l'ordre moléculaire d’agrégats d’amyloïdes a l’échelle nanoscopique. Enfin, nous avons étudié l'interaction de la protéine de réparation RAD51 avec l'ADN par microscopie de fluorescence polarisée super-résolue pour quantifier l'ordre orientationnel de l'ADN et de la protéine RAD51 afin de comprendre la recombinaison homologue du mécanisme de réparation de l'ADN. / .In this thesis we built and optimized quantitative polarized stochastic super-resolution fluorescence microscopy techniques that enabled us to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments at single molecule level and with nano-scale resolution. Using a scheme of stochastic read-out super resolution microscopy in combination with polarized detection, we can reconstruct fluorescence anisotropy images at a spatial resolution of 40 nm. In particular, we have been able to use the techniques to quantify the molecular orientationalorder in cellular and bio-molecular assemblies. For cellular imaging, we could quantify the ability of fluorophore labels to report molecular orientation of actin and microtubules in fixed cells. Furthermore, we used the improvements of resolution and polarization detection to study molecular order of amyloid aggregates at a nanoscopic scale. Also, we studied repair protein RAD51` s interaction with DNA by using dual color polarized fluorescence microscopy, to quantify the orientational order of DNA and RAD51 to understand the homologous recombination of DNA repair mechanism.

La première partie de ce travail est réalisé dans le but de préparer des produits pouvant jouer un rôle très important de l’imagerie cellulaire des lipopolysaccharides sur la surface des cellules bactériennes, tout en utilisant des méthodes fiables telle que la ‘’chimie click’’. Dans un premier temps, nous avons synthétisé une première génération d’outils fluorescents à base de rhodamine B et fluorescéine modifiée par une fonction oxyde de nitrile. Dans un deuxième temps nous avons cherché les meilleures conditions d’applications de la chimie click 3+2 sans cuivre, entre la fonction oxyde de nitrile et le motif saccharidique complémentaire portant une fonction vinylique. Finalement, nous avons appliquée, avec succès, la méthode click avec cuivre sur plusieurs types de bactéries portant sur leur membrane cellulaire des lipopolysaccharides ayant un motif ‘’Kdo’’ fonctionnalisé par un groupement azoture déjà synthétiser au sein de notre équipe, et une sonde fluorescente porteuse d’une fonction alcyne. Une nouvelle génération d’outils de marquage saccharidique est en cours de finalisation dans le but d’optimiser les conditions finales, tel que le dérivé de ‘’Kdo’’ fonctionnalisé cette fois-ci par des dérivées cycliques, bicycliques et aromatiques porteurs d’une fonction alcyne ou alcène, pour réaliser les derniers essais de marquage in vitro. Le stress oxydant est lié au vieillissement des cellules et à de nombreuses maladies: cardiovasculaire, cancer, diabète, Alzheimer… Il est dû à un déséquilibre entre le système oxydant / antioxydant au niveau des cellules, et se caractérise par la présence principalement de substance radicalaires réactives oxygénées. Dans le but d'identifier le taux de substances réactives oxygénées dans les cellules, le travail dans la deuxième partie de la thèse reposait sur la synthèse multi étape d'une molécule fluorescente dérivée de la coumarine. Le composé ciblé est le peroxyde d'oxygène, connu sous le nom d'eau oxygénée. Possédant un ester vinyl-boronique, notre molécule sera oxydée et réarrangée en aldéhyde conduisant à la condensation intramoléculaire avec le groupement aminé adjacent pour former un cycle indolique, libérant ainsi de la fluorescence. La recherche des conditions optimales de la dernière étape de la voie synthétique sont toujours en cours d’optimisation. Dans le futur, on cherchera les conditions optimales de la dernière étape de la synthèse de la sonde spécifique au peroxyde d’oxygène. Cette molécule est d'une importance remarquable comme sonde du stress oxydant. En réussissant cette étape, on pourra avoir en main une bibliothèque de ‘’KDO’’ fonctionnalisé afin d’avoir des résultats satisfaisants in vivo. / The first part of this work is done in order to prepare products that play a very important role in cellular imaging lipopolisaccharides on the surface of bacterial cells, while using reliable methods such as '' click chemistry ''. Initially, we synthesized the first generation of tools based fluorescent rhodamine B and fluorescein -modified nitrile oxide function. In a second step we sought the best possible applications of click chemistry 3+2 copper free, between the nitrile oxide function and the additional saccharide unit with a vinyl function. Finally, we applied successfully, the click method with copper on several types of bacteria on their cell membrane lipopolysaccharides having a pattern Kdo functionalized azide group already synthesized within our team, and a probe carrying a fluorescent alkyne. A new generation of tools saccharide marking is being finalized in order to optimize the final terms, such as derivative functionalized Kdo this time by cyclic, bicyclic and aromatic derivatives holders of an alkene or alkyne function to perform final testing of in vitro labeling. Oxidative stress is linked to cell aging and many diseases: cardiovascular disease, cancer, diabetes, Alzheimer's ... It is due to an imbalance between oxidant system/antioxidant in cells, and is characterized mainly by the presence of radical substance reactive oxygen. In order to identify the rate of reactive oxygen substances in cells, work in the second part of the thesis based on multi- step synthesis of a fluorescent molecule derived from coumarin. The target compound is oxygen peroxide, known as the name of hydrogen peroxide. Having a vinyl boronic ester, this molecule will be oxidized and rearranged aldehyde leading to intramolecular condensation with the adjacent amino group to form an indolique ring , thereby releasing fluorescence. The search for optimal conditions for the last step of the synthetic pathway is still being optimized. In the future, the optimal conditions for the last step of the synthesis of specific probe oxygen peroxide are sought. This molecule is remarkable importance as a probe of oxidative stress. By passing this step, we will have on hand a library of KDO functionalized to have satisfactory results in vivo.

Avec le progrès scientifique et les besoins sociétaux, diverses méthodes de détection spécifiques et sensibles des métaux, des protéines et d’autres biomolécules sont largement utilisées dans la protection de l’environnement, la surveillance des maladies, la pharmacothérapie, la production agricole, l’industrie et d’autres domaines importants. Les sondes fluorescentes sont largement développées sur la base des phénomènes de transfert d’énergie (ICT, PET, FRET) et appliquées par exemple à la détection de contaminants ou à l'imagerie cellulaire. Mais l’effet d’agrégation (ACQ) atténue généralement l’intensité de la fluorescence et limite ainsi les applications de sondes organiques (souvent peu solubles dans l’eau) dans l’imagerie cellulaire et les systèmes vivants. Par conséquent, le concept d'« agregated induced emission » (AIE) représente une solution à ces problèmes d’agrégation et plusieurs glycoclusters, glyco-sondes et glyco-complexes fluorescents ont été conçus et reportés pour des applications en analyse biologique. Notre premier projet visait à concevoir et à synthétiser des glyco-polymères fluorescents pour le ciblage cellulaire et l’adressage de médicaments, tandis que la fluorescence permettrait la détection des cellules ciblées. Pour surmonter l'effet ACQ et les interférences provenant de la fluorescence biologique naturelle, nous avons conjugué le dicyanométhylène-4H-pyrane (DCM) et le tétraphényléthène (TPE) afin d'obtenir des sondes fluorescentes (AIE) émettant dans le proche infrarouge. Les glycosides ont fourni une bonne solubilité dans l'eau et l'auto-assemblage a conduit à des systèmes de détection et à une imagerie des cellules cancéreuses. Les glyco-polymères à base de TPE ont été synthétisés à partir de monomères de TPE incorporant deux monosaccharides par conjugaison azide-alcyne (CuAAC) et ces monomères ont été polymérisés par des réactions de CuAAC ou thiol-ène. Les glyco-polymères à base de TPE ne présentaient malheureusement pas une assez grande longueur de chaîne (généralement moins de 7 unités) et les propriétés fluorescentes attendues ne pouvaient donc pas être atteintes. Nous avons ensuite conçu et synthétisé des glyco-dots auto-assemblés par des sondes DCM et des glycoclusters à base de TPE. Les glyco-dots ont présenté une hydrosolubilité élevée et une réponse sélective au peroxynitrite (ONOO-) à la fois in vitro et dans des analyses cellulaires. Les glyco-dots pourraient détecter ONOO- endogène et exogène, mais sans reconnaissance cellulaire spécifique. Nous avons conçu et synthétisé des sondes fluorescentes AIE pouvant s'auto-assembler avec des glycoclusters à base de TPE. Les glyco-dots résultants étaient facilement solubles dans l'eau et présentaient une sensibilité et une sélectivité excellentes pour la détection du thiophénol in vitro et dans des échantillons d'eau environnementaux.Nous avons finalement combiné les deux fragments TPE et DCM pour synthétiser un nouveau fluorophore AIE (TPE-DCM) avec émission à longue longueur d'onde. Ensuite, la conjugaison avec des glycosides par CuAAC a conduit à des sondes AIE fluorescentes à émission de longue longueur d'onde, avec une excellente solubilité dans l'eau. Une application à la détection de glycosidases in vitro et dans des dosages cellulaires ou sur des modèles animaux a été possible avec ces sondes / With scientific and social progress, various methods for the specific and sensitive detection of metals, proteins and other biomolecules are widely utilized in environmental protection, disease surveillance, drug therapy, agricultural production, industry and other significant areas. Fluorescent probes are widely developed based on ICT, PET, FRET and other fluorescence mechanisms, and applied to the detection of contaminants or in cell imaging. But the ACQ effect usually quenched the fluorescence intensity and thus limited the applications of organic probes in cell imaging and living systems. Therefore, the concept of aggregated-induced emission (AIE) appears as a possible solution to these problems and several fluorescent glycoclusters, glyco-probes and glyco-complexes were designed and reported for biological analysis. Our first project aimed to design and synthesize fluorescent glyco-polymers with multiple glycosides for cell targeting and drug delivery while fluorescence will allow the detection of the targeted cells. To overcome the ACQ effect and interference from natural biological background fluorescence, we conjugated dicyanomethylene-4H-pyran (DCM) and tetraphenylethene (TPE) to obtain near-infrared AIE fluorescent probes. The glycosides provided good water solubility and self-assembly in water led to detection systems and imaging cancer cells. TPE-based glycopolymers were synthesized from TPE monomers incorporating two monosaccharides by CuAAC conjugation and these monomers were polymerized by either CuAAC or thiol-ene “click” reactions. The TPE-based glycopolymers did not display a large chain length (typically less than 7 units) and the expected fluorescent properties could not be reached. We then designed and synthesized glyco-dots self-assembled by DCM probes and TPE-based glycoclusters. The glyco-dots displayed high water-solubility and selective response to peroxynitrite (ONOO-) both in vitro and in cell assays. The glyco-dots could detect endogenous and exogenous ONOO- but no specific cell recognition. We designed and synthesized AIE fluorescent probes which could self-assemble with TPE-based glycoclusters. The resulting glyco-dots were readily water soluble and displayed excellent sensitivity and selectivity for thiophenol detection in vitro and in environmental water samples. We finally combined both TPE and DCM moieties to synthesize a novel AIE fluorophore (TPE-DCM) with long-wavelength emission. Then conjugation with glycosides through CuAAC led to AIE fluorescent probes with long-wavelength emission, excellent water-solubility. Application to the detection of glycosidases in vitro and in cell assays or animal models was possible with these probes

Gene transfer techniques such as retroviral transduction have many applications such as cell marking, cell reprogramming, and therapeutics. Transgene expression, however, is often variable and maintaining long-term expression is problematic in progenitor cell types. To better control transgene expression, research has focused on the optimized use of cis-regulatory elements, such as promoters, enhancers and insulators. In addition to controlling gene expression, these regulatory elements modulate the nuclear organization of the transgene. The integration site also exerts significant effects on steady state and temporal transgene expression via the neighbouring chromatin environment. The first part of this thesis describes the co-operation of modified β-globin intronic elements in providing high-level expression and favorable nuclear localization. I demonstrate that these elements are compatible with efficient lentivirus transduction for globin gene therapy purposes. In the second chapter, I examine high-expressing EGFP retroviral transgenes and show that such steady state expression may exhibit rapid transcriptional fluctuations, which is modulated by different transcriptional dynamics at different integration sites. Finally, in the last chapter, I evaluate the use of a 3’D4Z4 insulator element in maintaining long-term EGFP transgene expression in ES cells, and discover integration-site specific temporal dynamics in retroviral vector expression. Overall, my results demonstrate that using multiple regulatory elements and insulating these elements from different types of genomic loci optimize transgene expression and dynamics in progenitor cells.

Gene transfer techniques such as retroviral transduction have many applications such as cell marking, cell reprogramming, and therapeutics. Transgene expression, however, is often variable and maintaining long-term expression is problematic in progenitor cell types. To better control transgene expression, research has focused on the optimized use of cis-regulatory elements, such as promoters, enhancers and insulators. In addition to controlling gene expression, these regulatory elements modulate the nuclear organization of the transgene. The integration site also exerts significant effects on steady state and temporal transgene expression via the neighbouring chromatin environment. The first part of this thesis describes the co-operation of modified β-globin intronic elements in providing high-level expression and favorable nuclear localization. I demonstrate that these elements are compatible with efficient lentivirus transduction for globin gene therapy purposes. In the second chapter, I examine high-expressing EGFP retroviral transgenes and show that such steady state expression may exhibit rapid transcriptional fluctuations, which is modulated by different transcriptional dynamics at different integration sites. Finally, in the last chapter, I evaluate the use of a 3’D4Z4 insulator element in maintaining long-term EGFP transgene expression in ES cells, and discover integration-site specific temporal dynamics in retroviral vector expression. Overall, my results demonstrate that using multiple regulatory elements and insulating these elements from different types of genomic loci optimize transgene expression and dynamics in progenitor cells.

Most biological experiments are performed on an ensemble of cells under the assumption that all cells are identical. However, recent evidence from single cells studies reveals that this assumption is incorrect. Individual cells within the same generation may differ dramatically, and these differences have important consequences for the health and function of the entire living body. I have used Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM) for imaging and analysis of topographical change of single cell membrane, which is difficult to be revealed by optical microscopes. Morphological change in the fixed and live HeLa cell membrane during endocytosis of conjugated polymer nanoparticles was studied. Results demonstrated SICM is a powerful tool to study the interaction between nanoparticle and cell membrane during internalization of nanoparticles through the membrane. This research can improve our fundamental understanding of cellular behavior and will be helpful for drug delivery applications. Based on conventional SICM, we have developed a novel method to simultaneous map the topography and potential distributions of the single living cells membranes. At the first step, multifunctional nanopipettes (nanopore/nanoelectrode) have been fabricated and characterized. To demonstrate the potential sensing capability and understand the mechanism, I measured the ionic current and local electric potential change during translocation of 40 nm charged gold nanoparticles. Our results reveal the capability of the multifunctional probe for the highly sensitive detection of the ionic current and local electrical potential changes during the translocation of the charged entity through the nanopore. From the potential change, we revealed the dynamic assembly of GNPs before entering the nanopore. The experimental results are also nicely explained by the finite element method based numerical simulation results. At the second step, I have measured the surface potential of living cell membrane at selected locations. Very recently, I have obtained results to show that we can map the extracellular membrane potential distribution of the complicated living cell membrane with sub-micron spatial resolution.This new imaging technique can help biologist to explore the extracellular potential distribution of varieties of cells quantitatively.These studies will have impacts on several biomedical applications such as regenerative repair and cancer treatment.

Les anticorps thérapeutiques sont des molécules de choix pour le traitement standard de nombreuses formes de cancers. Leur application est à ce jour restreinte au compartiment extracellulaire à cause de leur taille trop importante qui les empêche de traverser la membrane cellulaire. Comme la plupart des cibles thérapeutiques du cancer semblent être situées dans le milieu intracellulaire, ce serait un plus de pouvoir exploiter les propriétés des anticorps dans les cellules pour étudier et perturber l’activité de ces cibles. Néanmoins, l’utilisation des anticorps dans le milieu intracellulaire constitue un véritable challenge, notamment à cause de la membrane cellulaire et de l’environnement réducteur du cytoplasme. L’ensemble des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont permis d’établir les bases de plusieurs stratégies innovantes d’immunociblage intracellulaire et de mettre en lumière l’importance des différentes étapes de validation d’anticorps ou de fragments dérivés utilisés comme anticorps intracellulaires. La vectorisation d’anticorps complets par électroporation, le développement d’un intracorps bispécifique original anti-PCNA et la mise au point d’une méthode de mutagenèse inspirée de l’hypermutation somatique constituent les principales avancées apportées par ce travail dans le domaine de la recherche technologique en immuno biotechnologie. / Therapeutic antibodies are interesting molecules used to treat numerous pathologies such as cancer. Because of their size, their application is currently limited to the extracellular space. Indeed, antibodies cannot cross the cell membrane. Almost all therapeutic targets in cancer seem to be located inside cells, it would be beneficial to take advantage of antibodies in cells in order to neutralize the activity of these targets. The use of antibodies inside the cells is a real challenge, because of the cell membrane and the reducing environment of the cytoplasm. Several strategies of intracellular immunotargeting are presented in this thesis.

Introduction: Cancer vaccines are a therapeutic approach to initiate an antigen specific cytotoxic immune responses against tumors. Cancer vaccines are composed by an antigen (tumor peptide) and adjuvant. A peptide in combination with adjuvants effectively activate dendritic cells (DCs), the most efficient antigen presenting cells in our immune system. DCs prime and activate CD8+ cytotoxic T cells which generates an antigen specific response.Aim: Developing an assay to study the internalisation rout of an antigen-adjuvant conjugate in human dendritic cells by using live cell imaging. Method: Immobilisation of cells is necessary for the ability to perform live cell imaging for several hours. The immobilisation ability of three coatings, collagen type I, fibronectin and matrigel, at different concentrations were evaluated by using live cell imaging in a fluorescence microscope. The potential induction of activation of the cells were evaluated by using flow cytometry and ELISA. Results: Immature DCs internalise antigen-adjuvant conjugate more efficiently than mature and activated DCs. Therefore, it is important that the coating do not induce activation. Cells must also be immobilised for the possibility of long term detection. Collagen type I immobilised cells and induced activation in all investigated concentrations. Fibronectin and matrigel had concentration-dependent abilities to immobilise the cells. Matrigel did not activate the cells whilst fibronectin was concentration dependent. Conclusion: Matrigel immobilise the cells which enables long term single cell imaging without activation.