The hair shaft has increasing importance in bioarchaeology, since it is now possible to retrieve detailed biomolecular information on recent life history using individual fibres (e.g., on diet, drug use and DNA). Data on hair condition is an important cornerstone to ensuring that reliable information is obtained. The following study defines morphological features of degradative change in human terminal scalp hair using different microscopy techniques. Evidence of degradative change is translated into a ranked histology for assessing hair sample condition. The approach is applied to samples of cut modern scalp hair subjected to degradation under soil burial/simulated grave conditions.

Ce travail de thèse s'inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l'efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L'objectif de cette thèse a été d'explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s'appuie sur l'utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l'efficacité de l'approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d'un système optique permettant d'exciter les nanostructures photoniques - la conception d'un système d'imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l'aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d'abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d'obtenir des pièges optiques dont l'efficacité est d'un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s'appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu'à l'aide de cette approche des facteurs de qualités de l'ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l'aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l'ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.

Ma thèse a permis de développer une nouvelle approche pour étudier, par imagerie in vivo, le comportement des cellules présentatrices d’antigènes (CPA) de la peau suite à la vaccination par voie intradermique chez le primate non-humain. Le ciblage des CPA a été réalisé par injection in vivo d’un anticorps monoclonal anti-HLA-DR fluorescent. L’effet sur les CPA d’un adjuvant (R-848, ligand du TLR7/8) et l’immuno-ciblage des cellules de Langerhans par une protéine de fusion vaccinale anti-VIH (anti-langérine-VIHGag) ont ainsi été évalués par imagerie in vivo, vidéomicroscopie confocale ex vivo et cytométrie en flux. Ce travail a contribué à améliorer nos connaissances immunologiques sur les effets locaux et précoces des vaccins et /ou adjuvants. / My pHD project allowed the development of in vivo imaging approaches to study the skin antigen presenting cell (APC) behavior post-intradermal vaccination in non-human primates. APC targeting was performed by in vivo injection of fluorescent anti-HLA-DR monoclonal antibody. The effect of an adjuvant (R-848, ligand of TLR7/8) on skin APC and the immunotargeting of Langerhans cells by anti-HIV vaccinal fusion protein (anti-langerin-HIVGag) were assessed by in vivo fluorescent imaging, ex vivo confocal videomicroscopy and flow cytometry. This work contributed to improve immunological knowledge on local and early events post-vaccination with or without adjuvant.

<p>The thesis consists of two main parts of nonlinear optical instrumentation development. </p> <p>Fluorescence-detected mid-infrared photothermal (F-PTIR) microscopy is demonstrated for sub-diffraction limited mid-infrared microspectroscopy of model systems and applied to probe phase transformations in amorphous solid dispersions. To overcome the diffraction limit in infrared imaging, a highly localized temperature-dependent photothermal effect is an attractive alternative indicator to infrared absorption. Photothermal atomic force microscopy infrared spectroscopy (AFM-IR) achieves nanometer resolution by monitoring heat caused expansion but only restricted on the surface. For 3D imaging, optically detected photothermal infrared (O-PTIR) combines an infrared laser with a visible probe source with to transduce photothermal refractive index changes (e.g., from changes in beam divergence or scattering). The sensitivity of O-PTIR is ultimately limited by the relatively weak dependence of refractive index with temperature, exhibiting changes of ~0.01% per oC. Fluorescence-detected photothermal mid-infrared (F-PTIR) spectroscopy (Fig. 1) is demonstrated herein to support 3D imaging with improved photothermal sensitivity. In F-FTIR, the sensitivity of fluorescence quantum efficiency to temperature change (~1-2% per oC) is used to transduce transient heat flux from localized IR absorption. The infrared spatial resolution of F-FTIR is defined by fluorescence microscopy and the thermal diffusivity of the sample instead of infrared wavelength. Initial F-PTIR proof of concept studies are described for microparticle assemblies of silica gel and polyethylene glycol, followed by applications of F-PTIR for analysis of localized composition within phase-separated domains induced by water vapor exposure of an amorphous solid dispersion (ritonavir in copovidone).</p> <p>Fluorescence recovery while photobleaching (FRWP) is demonstrated as a method for quantitative measurements of rapid diffusion mapping over the microsecond to millisecond time scale. Diffusion measurements are critical for molecular mobility assessment in cell biology, materials science and pharmacology. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) is a well-known noninvasive optical microscopy method for measuring diffusion coefficients of macromolecules, such as proteins in cells and viscous solutions. However, conventional point-bleach FRAP is challenging to implement with multi-photon excitation and typically only supports diffusion analysis over millisecond time scales due to camera frame rate limitations. FRWP with patterned illumination addresses these limitations of FRAP by probing the fluorescence intensity changes while bleaching a comb pattern within a field of view (FoV). Fast-scanning of an ultrafast excitation beam distributes heat rapidly over multiple adjacent pixels, minimizing local heating effects that could complicate analogous diffusion measurements by point-bleach FRAP with multiphoton excitation. In FRWP, time-scales of the probed diffusion events are defined by a single line-pass time of a resonant scanning-mirror with a period of 125  s. In FRWP, the bleach pattern spans locations across the whole FoV, enabling diffusion mapping through image segmentation. More than a hundred bleaching and recovery events can be recorded during a single 10s measurement. Normal and anomalous diffusion of rhodamine-labeled bovine serum albumin (BSA) molecules was studied as a model system, with applications targeting rapid assessment of therapeutic macromolecule mobility within heterogeneous biological environments.</p>

Les bactériocines de classe IIa présentent une activité antimicrobienne résultant d'un mécanisme d'action ciblant les membranes des bactéries à Gram positif. Cette activité est modulée par différentes caractéristiques des surfaces bactériennes. Les propriétés physico-chimiques de surface de dix-huit souches bactériennes ont été déterminées afin d'étudier le lien entre ces propriétés et les phénotypes de résistance/sensibilité à Cbn BM1. Les résultats obtenus indiquent une grande diversité des propriétés physico-chimiques des surfaces analysées, sans cependant permettre d’établir un lien entre celles-ci et le phénotype de sensibilité/résistance à CbnBM1. Les mécanismes d'action de Cbn BM1 ont ensuite été étudiés sur Carnobacterium maltaromaticum DSM20730 et Listeria monocytogenes EGDe. L'atteinte de l'intégrité physique des membranes plasmiques par l'action de Cbn BM1 montre une hétérogénéité de réponse des populations bactériennes. Ce résultat a été confirmé par microscopie de force atomique in vivo à haute résolution. L'interaction de Cbn BM1 avec les membranes a été mise en évidence par mesure de l'anisotropie de fluorescence. Cette approche a révélé que Cbn BM1 présente des degrés de pénétration différents dans la membrane de C. maltaromaticum DSM20730 par rapport à L. monocytogenes EGDe. L'action de Cbn BM1 conduit cependant, pour les deux souches, à la modification de la force protomotrice membranaire. Ces différentes approches retenues pour l'étude des mécanismes d'action ont révélé que C. maltaromaticum DSM20730 et L. monocytogenes EGDe présentent une sensibilité à Cbn BM1 uniquement lorsque les cellules sont en phase exponentielle de croissance. / The antimicrobial activity of class IIa bacteriocins toward Gram positive bacteria relies on their membrane targeting mechanisms of action. These mechanisms are modulated by the bacterial surface properties. The physico-chemical surface properties of eighteen bacterial strains were determined to link these properties to the resistance/sensitivity to Cbn BM1 of the bacterial strains. In this way, two approaches were undertaken : the microbial adhesion to solvents and electrophoretic mobility measurements. The results show a large diversity of the determined properties among the strains but without establishing a direct link between the surface properties and the resistance/sensitivity phenotypes. Mechanisms of action of the bacteriocin Cbn BM1 on Carnobacterium maltaromaticum DSM20730 and Listeria monocytogenes EGDe were determined. Syto9® and propidium iodide allowed to show the heterogeneity of the bacterial populations toward the alteration of the membrane integrity. The interaction of Cbn BM1 with the bacterial membrane was studied by monitoring the fluorescence anisotropy of DPH and TMA-DPH. The results highlight a difference between the mechanism of action of Cbn BM1 on C. maltaromaticum DSM20730 and on L. monocytogenes EGDe. However, a treatment by Cbn BM1 leads to a perturbation of the component of the proton-motive force of the membrane for both strains. These approaches revealed that these bacterial strains exhibit a sensitivity to Cbn BM1 only when treated in log growth phase. Modification of nano-mechanical properties of C. maltaromaticum DSM20730 after a treatment by Cbn BM1 were assessed by an atomic force microscopy approach.

Ce travail de thèse s’inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l’efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L’objectif de cette thèse a été d’explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s’appuie sur l’utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l’efficacité de l’approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d’un système optique permettant d’exciter les nanostructures photoniques - la conception d’un système d’imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l’aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d’abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d’obtenir des pièges optiques dont l’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s’appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu’à l’aide de cette approche des facteurs de qualités de l’ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l’aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l’ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent. / This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature.