L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurels. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 (Inter- Cellular Adhesion Molecule 1) - anti ICAM-1 pouvait être modifiée en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence. L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence ou en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons monovalentes. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et divalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules. Les expériences d'adhésion ont été effectuées en variant la topographie du substrat à l'échelle nanométrique pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un temps minimum est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, une simulation numérique 2D prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, limitant fortement la dissociation de la bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. La chambre à flux laminaire et le suivi de particule individuelle a permis de mieux comprendre les mécanismes d'adhésion et le comportement de l'interaction des molécules d'ICAM-1 au niveau de molécule individuelle, lorsque l'environnement moléculaire a été modifiée. Des travaux similaires peuvent être effectuées sur d'autres molécules d'adhésion afin d'atteindre une connaissance beaucoup plus large des mécanismes d'adhésion, ou sur les liaisons entre TCR et pMHC qui sont extrêmement importantes dans la réponse immunitaire.

L'adhésion est un processus fondamental qui influence le déclenchement et le déroulement des processus pathologiques, notamment concernant les cellules circulantes aux parois vasculaires (réaction inflammatoire dans le flux sanguin). Sa compréhention nécessite la connaissance des mécanismes biologiques impliqués mais aussi d'un cadre physique de description du mouvement sous flux d'objets déformables en interaction avec une paroi. Notre travail utilise des systèmes modèles (vésicules, billes) pour identifier le rôle de paramètres de l'adhésion (densité, mobilité des ligands membranaires, déformabilité) sur le mouvement. Le système d'interaction développé est la chélation entre un ion nickel et deux histidines. L'imidazole, partie complexante de l'histidine, va permettre de réguler la force de l'interaction. Nous avons décrit le mouvement des lipides membranaires sous flux dans le cas de vésicules en interaction forte. On a mis en évidence la présence d'un flux surfacique dépendant de la forme de l'objet et de la force de l'adhésion. En régulant l'adhésion spécifique faible de billes, nous montrons la spécificité de l'interaction, des phénomènes originaux de capture, de détachement et de déplacement en adhésion sous écoulement de cisaillement.

Les phénomènes de bioadhésion de microorganismes sur les aciers inoxydables son fréquents et peuvent entraîner des problèmes de santé publique tels que des infections toxicologiques. En partenariat avec Ugine-Alz, nous nous sommes intéressés, à l'aide d'une chambre à flux radial (Décavé et al. Biophysical Journal, 2002, 82, 2383-95), à l'étude quantitative des cinétiques de détachement de trois microorganismes après adhésion sur des surfaces d'acier inoxydable. Saccharomyces cerevisiae (levure), Escherichia coli (Gram-), et Staphylococcus epidermidis (Gram+). Les aciers inoxydables utilisés sont des échantillons polis miroir et polis attaqués avec des tailles de grain et des profondeurs d'attaque des joints de grain différentes. L'utilisation de ces différents états de surface ne modifie pas la valeur de la contrainte nécessaire pour détacher 50% des microorganismes (seuil de détachement). Par contre, la profondeur d'attaque des joints de grain et la taille de grain accélèrent la cinétique de détachement de S. cerevisiae et ralentissent celle d'E. coli. Enfin, une adhésion préférentielle a été mise en évidence, pour les trois microorganismes, sur les grains d'orientation cristallographique <001> (Demilly et al., Colloids and Surfaces B, in press, 2006).

Les aciers inoxydables sont des matériaux couramment utilisés dans les industries agroalimentaires, la restauration collective mais également dans le milieu médical et hospitalier. Dans ces domaines, les phénomènes de bioadhésion de microorganismes sur ces substrats sont fréquents et peuvent entraîner des problèmes de santé publique tels que des infections toxicologiques ou des contaminations chez des sujets porteurs de matériau étranger (cathéter, prothèse).<br />Dans ce travail, effectué en partenariat avec le groupe sidérugique Ugine-Alz, nous nous sommes intéressés, à l'aide d'une chambre à flux radial, à l'étude quantitative des cinétiques de détachement de trois microorganismes après adhésion sur des surfaces d'acier inoxydable. Saccharomyces cerevisiae, une levure, est représentative des eucaryotes, Escherichia coli est une bactérie Gram- et Staphylococcus epidermidis, une bactérie Gram+. Les états de surface des aciers inoxydables utilisés sont des échantillons polis miroir (PM) et polis attaqués (PA) avec des tailles de grain différentes (20, 40 et 100 µm) et différentes profondeurs d'attaque des joints de grain (100 ± 50 nm, 150 ± 50 nm, 650 ± 150 nm). L'utilisation de ces différents états de surface ne modifie pas la valeur de la contrainte nécessaire pour détacher 50 % des microorganismes (seuil de détachement). Par contre, la profondeur d'attaque des joints de grain et, dans une moindre mesure, la taille de grain (20, 40 et 100 µm) accélèrent la cinétique de détachement de S. cerevisiae, grosse cellule non déformable et ralentissent celle d'E. coli, petite cellule déformable. Enfin, une adhésion préférentielle a été mise en évidence, pour les trois types de cellules, sur les grains d'orientation cristallographiques <001>.<br />Les observtions expérimentales ont par ailleurs été rationalisées à l'aide du modèle de B. Fourcade, D. Garrivier et E. Décavé (Décavé et al., 2002) et par le biais d'une analyse qualitative des interactions cellule-substrat en fonction de la taille et de la déformabilité des cellules.

Les mécanismes adhésifs jouent un rôle crucial en biologie. Les cadhérines classiques constituent une des principales familles de molécules d‟adhésion cellulaire dépendante du calcium. Ces glycoprotéines transmembranaires sont impliquées dans des interactions principalement homophiles. Ces interactions régulent des voies de signalisation impliquées dans de nombreux phénomènes biologiques. Cette thèse porte sur l‟étude comparative des dynamiques d‟interactions des cadhérines E- et -11, prototypes respectivement des cadhérines classiques de type I et II. Le ciblage d‟acides aminés particuliers de l‟interface adhésive nous a permis de montrer que pour les cadhérines de type I, l‟échange de brin beta avec le Trp2 ont un rôle clé ; pour les types II un mécanisme différent intervient. Nous avons aussi développé une chimie innovante pour contrôler l‟immobilisation orientée et covalente de protéines. Enfin une revue décrit une étude de l‟activation de voies de signalisation par engagement des cadhérines.

L'adhésion cellulaire est un processus biologique fondamental contrôlé par des liaisons moléculaires spécifiques entre ligands et récepteurs attachés à des surfaces. La formation et la rupture de ces liens dépendent de facteurs cinétiques, mécaniques et structurelles. Le but de ce travail était d'observer comment l'interaction ICAM-1 - anti ICAM-1 pouvait être modifié en jouant i) sur la multivalence de molécules impliquées dans la liaison ii) sur la topographie de surface et iii) sur la mobilité des ligands. A cette fin, on a principalement utilisé une chambre à flux laminaire, complété par une détection de molécule unique par fluorescence.L'étude sur les effets de multivalence, utilisant des monomères et dimères d'ICAM-1, a été réalisée en absence et en présence d'une force mécanique, montrant la plus grande stabilité des liaisons divalentes. En outre, un renforcement avec la force et le temps a été trouvé et décrit avec une fonction à deux paramètres, montrant, pour les liaisons divalentes, un comportement intermédiaire entre rupture parallèles et successives des liaisons. La fréquence d'adhésion des liaisons monovalentes et bivalentes présente différentes valeurs causées par la différence de longueur de ces molécules.Les expériences d'adhésions ont été effectuées en variant la topographie du substrat pour les molécules étudiées. Une comparaison des cinétiques de liaisons sur ces surfaces ne montrent pas de différences soit dans la formation ou dans la rupture. Pour interpréter ces résultats, un modèle qui prend en compte la zone de contact réel devrait être construit à partir des images AFM des échantillons.Dans l'écoulement, le temps de contact entre les molécules est contrôlé par la convection de microsphères. Des résultats récents montrent qu'un minimum de temps est requis pour former la liaison (Robert et al. 2011). Pour tester cette prédiction, les ligands sont ancrés à une bicouche lipidique (SLB) pour étudier comment la diffusion peut modifier l'adhésion. Expérimentalement, les fréquences d'adhésion des liaisons ont montré un comportement similaire pour les SLB fixes et fluides. Toutefois, la simulation numérique prédit un effet sur la formation de la liaison, même lorsque la diffusion des ligands est faible. Il semblerait que la diffusion joue un rôle dans la dissociation de la liaison, réduisant fortement la valeur de koff pour une bicouche fluide. Cet effet peut être expliqué par la présence éventuelle de liaisons multiples dues à l'accumulation des ligands sur la surface de contact. / Cell adhesion is a fundamental biological process mediated by specific molecular bonds formed by ligands and receptors attached to surfaces. Formation and rupture of these bonds depend on kinetic, mechanical and structural factors. The goal of this work was to observe how the ICAM-1 – anti ICAM-1 interaction can be modified by playing i) on the multivalency of molecules involved in the bond ii) on the topography of surface and iii) on the mobility of ligands. The main technique used for this purpose was the laminar flow chamber, completed by single-particle tracking in fluorescence.The study on multivalency effects, using monomeric and dimeric ICAM-1, was performed in absence and presence of mechanical force, showing the higher stability of divalent bonds. Also, a force- and time- strengthening dependence was found and described with a two-parameter function, showing, for divalent bonds, an intermediate behaviour between parallel and subsequent rupture of bonds. The adhesion frequency of monovalent and divalent bonds exhibit different values accounted by difference in length of these molecules.Adhesion experiments were performed varying the topography of the substrate for the investigated molecules. A comparison of bond kinetics on these surfaces did not show differences either in attachment or in rupture. To interpret these results, a model which takes into account the real contact area should be built from the AFM images of the samples.In the flow, the contact time between molecules is controlled by convection of microspheres. Recent results show that there is a minimal time required to form the bond (Robert et al. 2011). To test this prediction, ligands were anchored to supported lipid bilayer (SLB) to investigate how the diffusion can modify the adhesion. Experimentally, the adhesion frequencies of the bonds showed similar behaviour for fixed and fluid SLB. While, numerical simulation predicted an effect on bond formation even at low ligand diffusion. The diffusion seemed to play a role in bond dissociation, strongly reducing the value of koff for fluid bilayer. This effect can be explained by the possible presence of multiple bonds due to ligand accumulation on the contact area.

Les mécanismes adhésifs jouent un rôle crucial en biologie. Les cadhérines classiques constituent une des principales familles d'adhésion cellulaire dépendante du calcium. Ces glycoprotéines transmembranaires sont impliquées dans des interactions principalement homophiles. Ces interactions régulent des voies de signalisation impliquées dans de nombreux phénomènes biologiques. Cette thèse porte sur l'étude comparative des dynamiques d'interactions des cadhérines E- et -11, prototypes respectivement des cadhérines classiques de type I et II. Le ciblage d'acides aminés particuliers de l'interface adhésive nous a permis de montrer que pour les cadhérines de type I, l'échange de brin avec le Trp2 ont un rôle clé ; pour les types II un mécanisme différent intervient. Nous avons aussi développé une chimie innovante pour contrôler l'immobilisation orientée et covalente de protéines. Enfin une revue décrit une étude de l'activation de voies de signalisation par engagement des cadhérines. / Cell adhesion receptors of the classical cadherin family are involved in Ca2+-dependent homophilic interactions. In order to dissect the molecular mechanisms of cadherin-based cellcell adhesion, this Ph.D. thesis describes a comparative dynamic study of interactions between cadherins E- & -11, chosen as classical type I and II cadherins prototypes respectively. Modifications of particular residues in the E-cadherin adhesive interface showed that the ?-strand exchange with its Trp2 had a prominent feature; for type II cadherins, a different mechanism was described involving a larger domain swapping. We then developed a new protocol for immobilizing proteins in an orientated and covalent manner on surfaces. These interactions regulate signalization pathways in various biological processes. Studies describing Stat3 activation through direct cadherin engagement are reviewed.

Durant ce travail, deux approches ont été explorées. <br /> Dans la première, j'ai quantifié le dégonflement osmotique de liposomes remplis d'un gel d'agarose. La fabrication de tels systèmes reconstitués vise à permettre de mimer le comportement de cellules soumises aux mêmes contraintes. En particulier, j'ai observé que ces liposomes fonctionnalisés acquièrent des morphologies crénelées lors de leur dégonflement pour une concentration du gel comprise entre 0.07 et 0.18 % en masse. Ces formes originales ressemblent à celles d'échinocytes parfois prises par les globules rouges. Le gel est responsable de l'apparition de ces formes, ne modifie pas les cinétiques de dégonflement mais sa pression élastique arrête précocement le dégonflement comparativement aux liposomes aqueux, mettant en évidence un phénomène de rétention d'eau.<br /> Dans la deuxième approche, j'ai étudié l'effet de contraintes hydrodynamiques sur des amibes Dictyostelium adhérentes à un substrat et ai quantifié la réorganisation mécanosensible du cytosquelette de ces cellules vivantes. Pour obtenir les cinétiques de relocalisation de protéines majeures du cytosquelette en réponse aux forces d'un flux, j'ai marqué l'actine et la myosine-II avec des protéines fluorescentes et ai fabriqué une chambre à flux permettant de changer rapidement la direction du flux. J'ai montré que les cellules s'orientent contre les forces du flux et se réorientent contre en inversant leur polarité après une inversion du flux : d'abord l'actine dépolymérise puis des protrusions sont émises contre les nouvelles forces mécaniques, et 15 sec plus tard, l'arrière rétracte en utilisant la myo-II. De plus, la contractilité du système actine-myosine n'est pas nécessaire pour sentir les forces. Des expériences similaires en inversant la direction d'un gradient de chimioattractants montrent que ce processus de réorientation cellulaire n'est pas spécifique d'expériences sous flux. Ce travail met en évidence l'existence d'un signal inhibiteur rapide menant à la dépolymérisation de l'actine, signal qui n'est pas pris en compte dans les modèles actuels expliquant la réponse chimiotactique. Enfin, les outils de visualisation que j'ai développés permettent d'étudier le rôle de protéines et de structures cellulaires dans la mécanotransduction.