Les biofilms sont des communautés complexes de microorganismes, enchassées dans une matrice auto-secrétée de substances polymériques extracellulaires ou EPS. Les biofilms se forment à la surface de la plupart des matériaux, qu’ils soient de nature biologique ou non, et sont à l’origine de divers problèmes économiques et sanitaires. Les bactéries dans un biofilm, dites bactéries sessiles, présentent en effet des propriétés phénotypiques qui les distinguent de leurs homologues planctoniques, notamment par une résistance accrue aux antibiotiques et aux traitements de désinfection. D’où, la nécessité de prévenir leur formation et/ ou de leur élimination à partir de stratégies mieux adaptées à ce mode de vie en communauté. Le développement de telles stratégies passe entre autre par une meilleure connaissance des contributions physico-chimiques gouvernant les interactions de ces microorganismes avec leur environnement proche notamment lors des étapes initiales de la formation des biofilms. Deux grands objectifs ont été fixés au début de cette thèse, le premier visant à caractériser, in situ et en temps réel la formation de jeunes biofilms de deux modèles bactériens : une souche naturelle et ubiquitaire de Pseudomonas fluorescens et une souche modèle d’Escherichia coli obtenue par génie génétique pour surexprimer un seul type d’EPS. Le deuxième objectif de cette thèse, consiste à étudier leurs réponses à un stress environnemental ou chimique, notamment quand les biofilms doivent se développer dans des conditions extrêmes de pH. Pour atteindre ces objectifs, différentes techniques ont été combinées pour étudier de l’échelle moléculaire à l’échelle cellulaire le développement des biofilms. La spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier en mode réflexion totale atténuée (FTIR-ATR) a été utilisée pour suivre en temps réel le développement des biofilms. Nous avons pu suivre l’évolution des empreintes spectrales IR-ATR au cours de la formation des biofilms, sous des conditions favorables ou non à leur croissance. De jeunes biofilms de 24 h ont été étudiés par microspectroscopie Raman confocale (MRC), celle ci permettant d’obtenir des informations localisées sur la composition chimique des biofilms. La structure générale des biofilms a été visualisée par la microscopie à épifluorescence. Finalement, les propriétés physico-chimiques des EPS ont été quantifiées par spectroscopie de force atomique à l’échelle de la molécule unique (SMFS pour Single Molecule Force Spectroscopy). / Biofilms are complex communities of microorganisms, embedded in an auto-produced matrix of extracellular polymeric substances or EPS. Biofilms form on the surface of most materials, whether or not they are of biological nature, and cause major economic problems as well as public health concerns. Bacteria within a biofilm also called sessile bacteria, have phenotypic characteristics that distinguish them from their planktonic counterparts, rendering them more resistant to antibiotics and to disinfection strategies. Hence, the prevention of their formation and/ or their elimination requires the use of strategies that are well suited to the sessile mode of life. The development of these strategies begins with a better understanding of the physicochemical contributions that govern the interaction between the sessile community and its environment especially during the first steps of biofilm formation. Two main objectives were defined at the beginning of this thesis, the first was to characterize, in situ, and in real time the development of nascent biofilms. Two bacterial models were studied: a natural and ubiquitous strain of Pseudomonas fluorescens and a model strain of Escherichia coli genetically modified to overexpress one type of EPS. The second objectif was to study their responses towards an environmental or chemical stress; particularly how their development would be affected under extreme conditions of pH. To gain these objectives, different techniques were combined to study from the molecular to the cellular scale the development of biofilms. Fourier Transform Infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode was used to evaluate in real time the development of biofilms. We were able to detect changes in the IR-ATR spectral profile along biofilm formation under favorable and non favorable growth conditions. 24 h - old biofilms were characterized using confocal Raman microspectroscopy, which allowed us to gather localized information on their chemical composition. The structure of biofilms was visualized using epifluorescence microscocopy. Finally, physico-chemical properties of EPS were quantified using single molecule force spectroscopy

Ce travail de recherche rapporte l'utilisation de techniques biophotoniques pour investiguer des questions biomédicales, de la recherche fondamentale (interaction champs électriques impulsionnels / cellules) aux études cliniques (toxicité cutanée induite chez les patients traités par des thérapies ciblées).La microspectroscopie confocale Raman et de la microscopie terahertz ont été utilisées pour étudier le processus d’électroperméabilisation cellulaire d'un point de vue moléculaire. Nos résultats démontrent l'implication des protéines. De plus, nous avons montré que la signature Raman des cellules peut être utilisée comme un biomarqueur précis des différents états des cellules exposées aux chocs électriques, correspondant à une électroperméabilisation non détectable, électroperméabilisation et irréversibleEn tant que projet parallèle de ce doctorat, une recherche clinique a été réalisée afin d'étudier la toxicité cutanée induite chez les patients traités par des thérapies anticancéreuses ciblées. Bien que l'efficacité de ces thérapies ne soit pas discutée, de nombreux effets cutanées secondaires graves sont associés. Dans cette étude, nous avons étudié l'opportunité de prédire l’apparition de la toxicité cutanée au moyen de la microspectroscopie Raman confocale réalisée sur la peau des patients. Nous avons réussi à déterminer un nouveau biomarqueur pharmacodynamique spécifique de la toxicité cutanée grâce aux signatures Raman de la peau des patients; alors que l'évaluation dermatologique ou histologique n'a détecté aucune modification. / This research work reports the use of various biophotonics techniques to investigate biomedical questions, from basic research (interaction between pulsed electric fields and cells) to clinical studies (skin toxicity induced in patients treated with targeted anticancer therapies).Confocal Raman microspectroscopy and terahertz microscopy have been used to investigate cell electropermeabilization process from a molecular point of view. Our results demonstrate the involvement of the proteins in cell electropermeabilization. Moreover, we have shown that the Raman signatures of the cells could be used as an accurate biomarker of the different states of the cells exposed to pulsed electric fields, corresponding to no detectable electropermeabilization, reversible and irreversible electropermeabilization.Finally, this doctorate research demonstrates the opportunity to predict skin toxicity induced by targeted anticancer therapies by means of confocal Raman microspectroscopy. We succedded to determine a novel and specific pharmacodynamic biomarker for skin toxicity based on the Raman signatures of the patient’s skin, whereas dermatological or histologicalevaluation did not detect any modifications.

La microspectroscopie Raman confocale apparait comme un outil à fort potentiel pour l'analyse in vivo de la peau, avec des applications innovantes en dermatologie et cosmétologie. Cette technique biophotonique permet d'accéder à des informations moléculaires très spécifiques d'un échantillon ; et ceci de façon totalement non destructive et sans aucun marquage ni préparation particulière. Les travaux référencés ont porté sur la caractérisation des constituants cutanés, l'évaluation du taux d'hydratation, le suivi de la perméation d'actif ou encore le diagnostic des lésions tumorales de la peau. Ces études ont été réalisées avec des configurations instrumentales très diverses. En vue de la conception d'une nouvelle micro-sonde Raman confocale, cette thèse a permis d'établir un cahier des charges précis ; les paramètres instrumentaux ont été définis et leurs effets sur la qualité des enregistrements Raman (fluorescence parasite, rapport signal sur bruit, atténuation du signal en profondeur) ont été évalués. En particulier, l'effet de la longueur d'onde d'excitation, paramètre clé en spectroscopie Raman, a été analysé. Dans nos expérimentations, la répétabilité et la variabilité du signal Raman ont également été prises en compte. Dans le but d'évaluer l'approche Raman pour l'analyse de la perméation cutanée d'actif, la diffusion cutanée de deux molécules (caféine et resvératrol) appliquées en faibles concentrations a été suivie sur un microspectromètre Raman confocal avec des paramètres d'acquisition similaires à ceux définis pour la micro-sonde. Nous avons montré la possibilité d'enregistrer des cinétiques de diffusion, et également mis en évidence des points limitatifs spécifiques de ces études expérimentales. / Confocal Raman microspectroscopy seems to be a tool with strong potential for in vivo skin analyses, and for innovative applications in dermatology and cosmetology fields. This biophotonic technique allows access to very specific molecular information non-destructively and without any particular skin labeling or sample preparation. The referenced work focused on the characterization of the cutaneous constituents, the evaluation of the rate of skin hydration, the monitoring of active ingredient permeation or diagnosis of tumoral skin lesions. These studies were performed with a variety of instrumental configurations. In view of the design of a new confocal Raman micro-probe, this thesis has established a registry of precise specifications; the instrumental parameters were defined, and their effects on the quality of the Raman records (parasite fluorescence, signal to noise ratio, signal attenuation in depth) were evaluated. In particular, the impact of the excitation wavelength, a key parameter in Raman spectroscopy, was analyzed. In our experiments, the reproducibility and the variability of the Raman signal were also considered. In order to evaluate the Raman approach for the analysis of cutaneous permeation of active ingredients, the cutaneous diffusion of two molecules (caffeine and resveratrol) applied in low concentrations were monitored by confocal Raman microspectroscopy using the acquisition parameters defined for the micro-probe. We have demonstrated the possibility of recording diffusion kinetics and at the same time unraveled specific limitations of these experimental studies.