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.

Le virus de l'hépatite C (HCV) infecte environ 180 millions de personnes à travers le monde. De nouveaux antiviraux ont récemment été mis sur le marché mais ils présentent des effets indésirables. La recherche de nouvelles cibles thérapeutiques reste donc d'actualité. Mes principaux travaux ont consisté à développer des approches de biochimie et d'imagerie sur cellules vivantes pour étudier les mécanismes moléculaires d'action des antiviraux silibinine (SbN) et arbidol (ARB) sur HCV. Nous avons montré que SbN et ARB inhibent des vésicules entourées de clathrine et ne sont pas délivrés aux endosomes précoces. SbN et ARB inhibent également l'infection d'autres virus entrant par endocytose clathrine-dépendante, ce qui expliquerait leur activité à large spectre. J'ai également contribué à un projet initié depuis quelques mois au sein de l'équipe. L'hypothèse était qu'un élément présent dans le microenvironnement hépatique (MEH) jouerait un rôle essentiel dans l'infection par HCV. Nous nous sommes intéressés au syndécan-1 (SDC1) car il est fortement exprimé à la surface des hépatocytes. Nos travaux montrent que la déplétion de SDC1 diminue fortement l'infection. SDC1 colocalise à la surface des hépatocytes non infectés avec CD81, un récepteur connu de HCV. Dans les jours suivant l'infection, cette colocalisation est perturbée. Ces données suggèrent que SDC1 serait un co-facteur d'entrée de HCV, agissant en combinaison avec CD81, et que l'infection réorganiserait les molécules du MEH, ce qui pourrait à long terme contribuer à la persistance de l'infection / Hepatitis C virus (HCV) is a global health concern infecting 170 million people worldwide. New antivirals recently received the approval for the treatment against HCV infection but they display many side effects. Research for new therapeutic targets therefore remains an important topic. My main work was to develop approaches in biochemistry and live cell imaging to study the molecular mechanisms of action of antivirals silibinin (SbN) and arbidol (ARB) on HCV infection. We show that SbN and ARB alter clathrin-mediated endocytosis. Viral particles are trapped in clathrin-positive structures and cannot be delivered to the early endosomal compartment, thereby preventing infection. SbN and ARB also prevent cell infection by viruses that enter through clathrin-mediated endocytosis, which could explain their broad spectrum activity. I also contribute to a project initiated for a few months in the lab. We hypothsized that a molecule present in the immediate surrouding of the hepatocyte microenvironment could play a role in HCV infection. We focused on the syndecan-1 (SDC1) because it is essentially anchored on the surface of hepatocytes. We show that SDC1 depletion leads to a drastic decrease of the viral infectivity. SDC1 colocalizes on the unfected hepatocyte surface with the already identified HCV recptor CD81. This colocalization vanished within days in infected cells. These data suggest that SDC1 could act as a cellular co-factor for HCV entry, in combination with CD81; thus infection could reorganized molecules of the hepatocyte microenvironment and contribute to HCV hepatotropism and the peristence of infection

L'utilisation de champs électriques pulsés (PEF) dans les secteurs de la médecine et de la biotechnologie est devenue de plus en plus courante au cours des dernières décennies. La recherche a montré qu'en ajustant la durée du PEF, nous pouvons prédire quels effets seront observés. Alors que les PEF dans la gamme micro - milliseconde ont été utilisés pour perméabiliser la membrane cellulaire et améliorer l'absorption de médicament ou de protéine, le PEF nanoseconde (nsPEF) a démontré des effets uniques sur les organites intracellulaires. Les deux PEF et nsPEF ont démontré un potentiel thérapeutique pour une variété de pathologies humaines, y compris le traitement du cancer. Utilisant l'imagerie des cellules vivantes, cette thèse a étudié in vitro les effets de champs pulsés d'une durée de 10 ns à 10 ms sur des lignées cancéreuses (U87 glioblastome multiforme) et non cancéreuses (neurones hippocampes de souris (HT22) et cellules ovariennes du hamster chinois (CHO)). Des résultats publiés antérieurement ont démontré que les cellules cancéreuses sont plus sensibles aux champs électriques que les cellules saines. Nos résultats sont en accord avec ces résultats, dans la mesure où les cellules U87 ont subi une dépolarisation significativement plus importante de leur potentiel transmembranaire après une seule impulsion électrique à toutes les durées. Dans un ensemble d'expériences parallèles, malgré des seuils de champ électrique similaires pour la perméabilisation membranaire, les cellules U87 ont démontré une absorption significativement améliorée de YO-PRO par rapport aux autres lignées cellulaires. Bien que les cellules U87 aient subi le plus grand changement dans la dépolarisation membranaire et la perméabilisation membranaire, elles ont également montré la constante de rescellement de la membrane la plus rapide, qui était environ 30 secondes plus rapide que les autres lignées cellulaires. Pour élucider certains des mécanismes sous-jacents par lesquels les cellules U87 répondent aux champs électriques, une série d'expériences a examiné le rôle des canaux ioniques transmembranaires. Plusieurs études récentes ont rapporté que les PEF peuvent agir directement sur les canaux ioniques voltage-dépendants. En utilisant divers modulateurs de canaux ioniques pharmacologiques spécifiques et à action large, nous avons démontré que nous pouvions presque entièrement inhiber la dépolarisation membranaire induite par le champ électrique dans les cellules U87 en bloquant certains canaux cationiques. Ces résultats étaient assez spécifiques, tels que le canal de potassium de grande conductance (BK), les canaux calciques de type L et T, et le canal cationique non spécifique, TRPM8, étaient capables d'inhiber la dépolarisation tandis que le blocage d'autres canaux ioniques ne produisait aucun changement significatif. . Les travaux de cette thèse ont montré que la lignée cellulaire maligne U87 présentait une plus grande sensibilité aux champs électriques allant de 10 ns à 10 ms par rapport aux lignées cellulaires non cancéreuses étudiées. Des améliorations potentielles aux protocoles de traitement actuels ont été proposées sur la base des résultats présentés ici. / The use of pulsed electric fields (PEF) in medical and biotechnology sectors has become increasingly prevalent over the last few decades. Research has shown that by adjusting the duration of the PEF we can predict what effects will be observed. Whereas PEF in the micro-to-millisecond range have been used to permeabilize the cell membrane and enhance drug or protein uptake, nanosecond PEF (nsPEF) have demonstrated unique effects on intracellular organelles. Both PEF and nsPEF have demonstrated therapeutic potential for a variety of human pathologies, including the treatment of cancer. Using live-cell imaging, this thesis investigated, in vitro, the effects of pulsed fields ranging in duration from 10 ns to 10 ms on cancerous (U87 glioblastoma multiforme) and non-cancerous cell lines (mouse hippocampal neurons (HT22) and Chinese hamster ovary (CHO) cells). Previously published results have demonstrated that cancerous cells have a greater sensitivity to applied electric fields than healthy cells do. Our results are in agreement with these findings, insofar as the U87 cells underwent a significantly greater depolarization of their transmembrane potential following a single electric pulse at all durations. In a parallel set of experiments, despite having similar electric field thresholds for membrane permeabilization, the U87 cells demonstrated significantly enhanced YO-PRO uptake compared to the other cells lines. Although U87 cells underwent the greatest change in both membrane depolarization and membrane permeabilization, they also showed the fastest membrane resealing constant, which was approximately 30 seconds faster than other cell lines. To elucidate some of the underlying mechanisms by which U87 cells respond to electric fields, a series of experiments looked at the role of transmembrane ion channels. Several recent studies have reported that PEFs can act directly on voltage-gated ion channels. Using a variety of specific and broad acting pharmacological ion channel modulators, we demonstrated that we could almost entirely inhibit the electric field-induced membrane depolarization in U87 cells by blocking certain cationic channels. These results were quite specific, such that the big conductance potassium (BK) channel, L- and T-type calcium channels, and the non-specific cationic channel, TRPM8, were able to inhibit depolarization while blocking other ion channels produced no significant change. The work in this thesis showed that the malignant U87 cell line showed a greater sensitivity to electric fields from ranging from 10 ns – 10 ms when compared to the non-cancerous cell lines that were investigated. Potential improvements to current treatment protocols have been proposed based on the findings presented herein.

Dans les cellules des eucaryotes, la transcription des gènes est contrôlée par une pléthore de complexes protéiniques. Cependant, la plupart de nos connaissances fondamentales sur la régulation de la transcription viennent des expériences biochimiques ou des expériences d’immunofluorescences utilisant des cellules fixées. Par conséquent, beaucoup d’efforts ont été consacré récemment pour obtenir des informations sur les mouvements dynamiques ou sur l’assemblage des facteurs de transcription directement dans des cellules vivantes. Nous avons développé une stratégie de marquage, appelé « versatile antibody-based imaging approach » (VANIMA), dans laquelle des anticorps marqués avec un fluorochrome sont introduit dans des cellules vivantes pour visualiser spécifiquement des protéines endogènes ou des modifications post-traductionnelle. Nous avons pu montrer que VANIMA peut être utilisé pour étudier des processus dynamique des mécanismes fondamental de la biologie y compris les facteurs de la machinerie de transcription ainsi que les modifications des histones dans des cellules vivantes de cancer humaine en utilisant la microscopie conventionnelle ou à super-résolution. Dans l’avenir VANIMA va servir comme un outil valable pour révéler les dynamiques des processus endogènes en biologie y compris la transcription directement dans des cellules vivantes individuelles. / In eukaryotic cells, gene transcription is controlled by a plethora of protein complexes. However, most of our basic knowledge about transcription regulation originate from biochemical experiments or immunofluorescence experiments using fixed cells. Consequently, many efforts have been devoted recently to obtain information about the dynamic movements or assembly of transcription factors directly from living cells. Therefore, we developed a labeling strategy, named versatile antibody-based imaging approach (VANIMA), in which fluorescently labeled antibodies are introduced into living cells to image specific endogenous proteins or posttranslational modifications. We were able to show that VANIMA can be used to study dynamical processes of fundamental biological mechanisms including factors of the transcription machinery as well as histone modifications in living human cancer cells using conventional or super-resolution microscopy. Hence, in the future VANIMA will serve as a valuable tool to uncover the dynamics of endogenous biological processes including transcription directly in single living cells.

Les impulsions de champ électrique nanoseconde de forte intensité (nsPEF) ont été proposées pour le traitement du cancer avec des effets secondaires minimes et peu susceptibles de conduire à une résistance de la tumeur au traitement. Le glioblastome multiforme (GBM) est un cancer du cerveau incurable montrant une résistance aux traitements actuels tels que la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie. Dans cette thèse, l'imagerie des cellules vivantes est utilisée pour étudier in vitro les effets de nsPEF sur une lignée de cellules de glioblastome humain (U87-MG), et pour évaluer la pertinence de l'utilisation des nsPEF en tant que nouveau traitement pour le GBM. En accord avec les résultats publiés précédemment, nous montrons que les cellules U87-MG répondent aux nsPEF avec une poration de la membrane plasmique, une augmentation rapide du calcium intracellulaire et une perte progressive du potentiel de membrane mitochondriale. De nouveaux résultats montrent que 100 impulsions de 10 ns délivrées à 44 kV/cm perturbent la dynamique de croissance des microtubules indépendamment du calcium et du gonflement, ces derniers étant connus pour provoquer la dépolymérisation des microtubules. La microscopie à super-résolution nous a permis de visualiser les flexions et ruptures de microtubules après l'application nsPEF suggérant un effet plus direct des impulsions. L'étude des nsPEF sur le calcium a également été menée via des indicateurs de calcium génétiquement encodés (GECIs) qui permettent une comparaison entre les GECIs et les indicateurs chimiques couramment utilisés. En utilisant le GECI GCaMP, le potentiel d'expression des GECIs dans des endroits subcellulaires spécifiques a permis de mettre en évidence une onde de calcium induite par l'application des nsPEF, grâce à une forme de GCaMP fixée à la membrane plasmatique. Ce phénomène, qui n'est pas habituel avec des indicateurs chimiques cytosoliques classiques en raison de la diffusion, permet de confirmer l'origine extracellulaire des pics de calcium post nsPEF. Cette thèse démontre que les nsPEF appliqués à des cellules U87-MG induisent plusieurs effets cellulaires majeurs et potentiellement destructeurs. La perturbation du réseau de microtubules par les nsPEF pourrait éventuellement être exploitée comme un antimitotique, administré localement, pour le traitement de GBM, avec des effets secondaires systémiques réduits et une faible résistance au traitement. / High powered, nanosecond duration pulsed electric fields (nsPEF) have been proposed as a minimal side-effect, electrical cancer therapy that is unlikely to result in tumour resistance. Glioblastoma multiforme (GBM) is an incurable brain cancer showing resistance to current treatments such as surgery, radiotherapy and chemotherapy. This thesis uses live-cell imaging to look in vitro at the effects of nsPEF on a human glioblastoma cell line (U87-MG) in a first step towards assessing its suitability as a novel treatment for GBM. In agreement with previously published results we show that U87-MG cells respond to nsPEF with plasma membrane poration, a rapid increase in intracellular calcium and a gradual loss of mitochondrial membrane potential. We present novel results showing that 100, 10 ns pulses delivered at 44 kV/cm disrupt microtubule growth dynamics in a way that is independent of calcium and swelling, both of which are known to cause microtubule depolymerisation. Super-resolution microscopy allowed us to visualise microtubules bending and breaking following nsPEF application suggesting a more direct effect of the pulse. We look also at the application of genetically encoded calcium indicators (GECIs) to nsPEF calcium studies making a comparison between GECIs and commonly used chemical indicators. Using the GECI GCaMP, we show the advantages of being able to express GECIs in specific subcellular locations by visualising an nsPEF induced calcium wave with a plasma membrane bound form of GCaMP. This event, which is not evident with classic cytosolic chemical indicators due to diffusion, helps confirm the extracellular origin of the post-nsPEF calcium spike. The work in this thesis demonstrates that nsPEF causes several major, and possibly destructive, cellular events when applied to U87-MG cells. The disruption of the microtubule network by nsPEF could potentially be exploited as a locally administered antimitotic, for GBM treatment, with reduced systemic side effects and lower occurrences of resistance.