L'oxaliplatine est un médicament anticancéreux utilisé dans la chimiohyperthermie intrapéritonéale (CHIP), pour le traitement des carcinoses péritonéales (CP). En dépit de l'efficacité de la CHIP, l'infiltration de l'oxaliplatine dans les tumeurs traitées est très peu connue. L'étude de la pénétration du médicament dans des tumeurs prélevées à partir de patients atteints de CP et traités CHIP, a fait l'objet de la première partie du projet de recherche. Par ailleurs, les mécanismes de transport du médicament jusqu'à l'ADN cellulaire n'ont pas été bien déterminés. Néanmoins, des hypothèses suggèrent que certains métabolites soufrés de l'oxaliplatine pourraient constituer des "formes réservoirs", capables de transporter le médicament jusqu'à l'ADN. La deuxième partie du projet a consisté à étudier de manière plus approfondie la réactivité d'un des métabolites soufrés de l'oxaliplatine. Nous avons développé une méthode d'imagerie par spectrométrie de masse MALDI/TOF, qui permet de déterminer la distribution de l'oxaliplatine et ses métabolites, dans les tumeurs humaines traitées CHIP. Nos résultats révèlent une pénétration du médicament limitée à quelques millimètres et une détection exclusive du métabolite oxaliplatine-méthionine (Ox-M) : un métabolite considéré « inactif », puisqu'il serait stable et incapable d'interagir avec l'ADN. Afin de démontrer la réactivité de ce métabolite, nous avons tout d'abord étudié son interaction avec les cibles de l'oxaliplatine, à savoir la guanine et l'ADN. Nos résultats démontrent la capacité de Ox-M à libérer la partie réactive de la molécule pour interagir avec la guanine, et former des adduits sur des duplexes d'oligonucléotides qui miment la structure de l'ADN. De plus, les adduits formés par Ox-M induisent un arrêt de l'élongation de l'ADN. Ces résultats démontrent la réactivité du métabolite Ox-M de l'oxaliplatine, et suggèrent son implication dans une nouvelle voie active du médicament. / Oxaliplatin is an anticancer drug used in Heated Intraoperative Chemotherapy (HIPEC) to treat peritoneal carcinomatosis. In spite of HIPEC efficiency, oxaliplatin penetration in treated tumors is not very well known. Study of oxaliplatin penetration in tumors of patients suffering from CP and treated with HIPEC, was the first part of the research project. Furthermore, transport mechanisms of the drug to cell DNA are not well established. Nevertheless, hypotheses suggest that some sulfur metabolites of oxaliplatin, could constitute "tanks" which are able to transport drug until DNA. The second part of this project aimed to study more deeply the reactivity of oxaliplatin sulfur metabolites. We have developed a MALDI imaging mass spectrometry method, which allows studying the distribution of oxaliplatin and its metabolites in human tumors. Our results reveal a drug penetration limited to few millimeters and an exclusive detection of the oxaliplatin- methionine metabolite (Ox-M): a supposed "Inactive" metabolite, because of its stability that prevents its interaction with DNA. To provide evidence of Ox-M reactivity, we studied its interaction with oxaliplatin targets: guanine and DNA. Our results showed that Ox-M is able to release the active part of the molecule to interact with guanine, and to form adducts on oligonucleotides duplexes that mimic DNA structure. Moreover, Ox-M adducts induce an arrest of DNA elongation. These results suggest the implication of Ox-M in a new active pathway of oxaliplatin cytotoxicity.

L’oxygénation d’un tissu ou d’une cellule résulte d’un équilibre entre la disponibilité en oxygène et sa consommation. Un arrêt de la circulation ou des variations de la pression partielle en oxygène sont responsables d’une réduction de l’apport en oxygène induisant une réponse adaptative.L’objectif de ce travail a été de caractériser l’hypoxie de l’échelle cellulaire à tissulaire par la complémentarité de deux techniques d’imagerie par spectrométrie de masse (ISM) : La spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) et l’ionisation/désorption par laser assistée par matrice (MALDI). L’ISM fournit la détection, l’identification et la distribution d’une variété d’espèces moléculaires endogènes et exogènes directement sur tissu sans marquage. Afin de caractériser l’hypoxie, un modèle in vitro de culture cellulaire en trois dimensions (sphéroïde) et un modèle in vivo d’accident vasculaire cérébral ont été utilisés.L’imagerie TOF-SIMS nous a permis de voir que la disponibilité réduite de l’oxygène au centre des sphéroides induit de profonds changements métaboliques. L’imagerie MALDI-TOF, quant à elle, a permis de visualiser la pharmacocinétique de différents traitements dans des sphéroides traités.Concernant l’étude sur l’accident vasculaire cérébral, l’imagerie SIMS et MALDI nous ont fourni une signature moléculaire de l’hypoxie tissulaire, apportant de nouvelles connaissances sur les changements physiopathologiques induits par la lésion tissulaire.La complémentarité de ces deux techniques d’imagerie permet donc une réelle synergie pour l’étude de l’hypoxie dans différents modèles. / Tissue or cells oxygenation results from a balance between oxygen availability and consumption. This availability is determined by the amount of oxygen carried by the blood irrigating the tissue and its diffusion capacity through the cell membranes. The interruption of blood flow or variations in the oxygen partial pressure are responsible for a reduction of oxygen intake that induces an adaptive response.The aim of my work is to characterize the hypoxia from cellular to tissue-level via the complementarity of two mass spectrometry imaging (MSI) methods: the Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) and Matrix-Assisted Laser Desorption and Ionization (MALDI). MSI has the potential to provide detection, identification and distribution of a variety of different endogenous and exogenous molecular species directly from the tissue without labelling. Here we combine them to characterize hypoxia in vitro on a 3D cell culture system (spheroid) and in vivo using ischemic rat model.We have shown via TOF-SIMS imaging that reduced availability of oxygen to the center of spheroids induces profound metabolic changes. MALDI-TOF imaging helped to visualize the pharmacokinetics of different treatments in treated spheroids.Concerning the ischemic stroke, MSI provides a molecular signature of hypoxia in tissue, which could bring new insights into the pathological changes induced by the tissue injury.The complementarity of these two imaging techniques allows real synergy for the study of hypoxia in different models.

Cette thèse a été consacrée à l’amélioration de méthodes en imagerie par spectrométrie de masse, et à leur utilisation pour l’analyse in situ de substances naturelles. Une première partie a été consacrée à développer une nouvelle méthode permettant d’acquérir en imagerie TOF-SIMS des images avec une résolution de 400 nm tout en préservant la résolution en masse. Pour cela, une extraction retardée des ions secondaires a été caractérisée et optimisée. Une seconde partie a eu pour objectif d’étudier le phénomène de duraminisation d’un arbre tropical de l’espèce Dicorynia guianensis, qui est l’un des plus exploités en Guyane française et dont le duramen est réputé être imputrescible. Les images par spectrométrie de masse TOF-SIMS enregistrées avec la méthode développée ont montré à l’échelle sub-micrométrique les changements métaboliques s’opérant autour de la zone de transition, où s’opère la duraminisation. Les techniques TOF-SIMS et MALDI-TOF ont ensuite été utilisées pour l’analyse d’une surface sur laquelle ont crû deux souches microbiennes en compétition. Les deux souches ont été extraites d’un if japonais (Cephalotaxus harringtonia), l’une étant un champignon endophyte (Paraconiothyrium variabile) et l’autre une bactérie pathogène à ce conifère (Bacillus subtilis). Les résultats ont montré que le champignon était capable d’hydrolyser les surfactines produites par la bactérie. Enfin, les imageries par spectrométrie de masse MALDI-TOF et TOF-SIMS sont deux méthodes de choix pour l’étude de modèle in vitro de ce qui pourrait se produire in vivo. / This thesis was devoted to the improvement of mass spectrometry imaging methods, and to their use for in situ analysis of natural substances. The first part of this thesis has been dedicated to the development of a new acquisition mode in TOF-SIMS imaging able to acquire images with a high spatial resolution of 400 nm while keeping a good mass resolution. For that, a delayed extraction of the secondary ions has been characterized and optimized. Then, a second part has been dedicated to the study of heartwood production in a tropical species named Dicorynia guianensis. This species is one of the most exploited in French Guiana for its heartwood which exhibits a good durability. Metabolic changes are shown by sub-micrometric resolution ion images recorded in and around the transition zone, where the heartwood formation occurs. Then, TOF-SIMS and MALDI-TOF have both been used to analyse the surface of a bacterial competition. Species have been isolated from a Japanese conifer (Cephalotaxus harringtonia), from which the stains are an endophitic fungi (Paraconiothyrium variabile) and a pathogenic bacteria of the conifer (Bacillus subtilis). The results have shown that the fungus is able to hydrolyze surfactines produced by the bacteria during the competition. Furthermore, both the MALDI-TOF and the TOF-SIMS mass spectrometry imaging are methods of choice to study in vitro models of what could happen in vivo.

L'imagerie par spectrométrie de masse est d’un grand intérêt pour aborder les questions biologiques en fournissant simultanément des informations chimiques et spatiales. En particulier, la spectrométrie de masse baptisée TOF-SIMS est bien reconnue par sa haute résolution spatiale (< 1 μm), qui est essentielle pour révéler l'information chimique dans une zone submicronique. L'emploi croissant de cette technique dans la caractérisation des échantillons biologiques a bénéficié du développement de nouvelles sources d'ions d’agrégats. Cependant, les processus d'ionisation/désorption des analytes sous les impacts d’agrégats lourds sont encore mal compris. D'un autre côté, techniquement, les instruments TOF-SIMS commerciaux actuels ne peuvent pas fournir une résolution en masse suffisante ni une précision sur la détermination de la masse pour l'identification moléculaire, ce qui rend les analyses de systèmes biologiques complexes très difficiles, et nécessite le recours à la fragmentation MS/MS. Cette thèse vise à mieux comprendre la production d'ions sous l’impact d’agrégats lourds et à explorer la capacité MS/MS du spectromètre de masse par temps de vol combiné à l’imagerie ionique en utilisant le spectromètre de masse PHI nanoTOF II. Ce dernier point a été réalisé en cartographiant en haute résolution spatiale des métabolites importants de bois. Pour comprendre la production d'ions sous les impacts d’agrégats d'argon massifs, l'énergie interne des ions secondaires a été mesurée en utilisant la mesure du taux de survie d'une série d'ions benzylpyridinium. L'étude de diverses conditions d'impact (énergie, vitesse, taille des agrégats) a montré que la vitesse joue le rôle majeur dans la distribution d'énergie interne et la fragmentation moléculaire dans le régime à faible énergie par atome (E/n < 10 eV).Les capacités de la fragmentation MS/MS et d'imagerie en parallèle du spectromètre PHI nanoTOF II nouvellement conçu ont été évalués par cartographie MS/MS in situ des métabolites bioactifs rubrynolide et rubrenolide dans les espèces amazoniennes de bois Sextonia rubra, ainsi qu’une identification in situ des métabolites précurseurs. L'imagerie TOF-SIMS 2D et 3D a permis de localiser les cellules où cette biosynthèse s’effectue. Les résultats ont conduit à la proposition d'une voie possible de biosynthèse des deux métabolites. Pour étendre l'application de l'imagerie TOF-SIMS dans l'analyse chimique du bois, la distribution radiale des extraits de bois dans le duramen du bois du mélèze européen a également été étudiée. / Mass spectrometry imaging has been shown of great interest in addressing biological questions by providing simultaneously chemical and spatial information. Particularly, TOF-SIMS is well recognized for its high spatial resolution (< 1 µm) which is essential in disclosing chemical information within a submicron area. The increasing use of TOF-SIMS in characterizing biological samples has greatly benefited from the introduction of new cluster ion sources. However, the ionization/desorption of the analytes under impacts of large clusters is still poorly understood. On the other hand, technically, current commercial TOF-SIMS instruments generally cannot provide sufficient mass resolution or mass accuracy for molecular identification, making analyses of complex biological systems especially challenging when no MS/MS fragmentation is available. Thus this thesis is aimed to get a better understanding of ion production under cluster impacts, to explore the MS/MS capability of the parallel imaging MS/MS Spectrometer (PHI nanoTOF II), as well as to apply TOF-SIMS to map important wood metabolites with high spatial resolution.In order to understand ion production under impacts of massive argon clusters, internal energy distributions of secondary ions were measured using survival yield method which involves the analyses of a series of benzylpyridinium ions. Investigation of various impacting conditions (energy, velocity, cluster size) suggested that velocity of the clusters play a major role in internal energy distribution and molecular fragmentation in the low energy per atom regime (E/n < 10 eV). The MS/MS fragmentation and parallel imaging capabilities of the newly designed PHI nanoTOF II spectrometer were evaluated by in situ MS/MS mapping of bioactive metabolites rubrynolide and rubrenolide in Amazonia wood species Sextonia rubra. Then this parallel imaging MS/MS technique was applied to perform in situ identification of related precursor metabolites in the same tree species. 2D and 3D TOF-SIMS imaging were carried out to target the plant cells that biosynthesize rubrynolide and rubrenolide. The results led to the proposal of a possible biosynthesis pathway of these two metabolites. In addition, to expand the application of TOF-SIMS imaging in wood chemistry analysis, radial distribution of wood extractives in the heartwood of European larch was also investigated.

Listeria monocytogenes est une bactérie à Gram positif impliquée dans des infections graves d’origine alimentaire. La plupart des cas de listériose humaine sont causés par la consommation d'aliments réfrigérés prêts à consommer. La capacité de ces bactéries à survivre et à se multiplier dans une large gamme de conditions difficiles fait de ce pathogène une des préoccupations majeures dans les industries agro-alimentaires. Ces propriétés de L. monocytogenes sont renforcées par son aptitude à former des biofilms. Le but de ce projet était d'explorer l'adaptation de ce pathogène à la déshumidification et aux basses températures par deux approches de protéomique. La première approche, basée sur la technique d’imagerie par spectrométrie de masse (IMS) MALDI-TOF, permet de réaliser la cartographie de molécules à partir d'échantillons biologiques. Ce travail a consisté à développer cette approche, en considérant un biofilm bactérien comme un tissu, afin d’accéder à des informations sur la distribution de protéines dans des biofilms de L. monocytogenes soumis à un stress de déshumidification. En outre, une approche LC-MS/MS a été utilisée pour relier les données spectrales d’intérêt obtenues par l'IMS et l'identification des protéines. L’IMS a permis d'examiner la distribution de 47 protéines de bas poids moléculaire dans les biofilms. Cinq protéines ont été identifiées par LC-MS/MS grâce aux données m/z de l’IMS, y compris deux protéines de choc thermique. Les résultats démontrent que l'IMS peut être utilisée pour disséquer le protéome spatial d'un biofilm bactérien. La deuxième approche protéomique a consisté en une comparaison semi-quantitative relative et sans marquage (shotgun proteomic) des protéines exprimées dans différentes conditions de culture. Par cette méthode, nous avons exploré l’expression protéique en fonction du mode de croissance (biofilm vs planctonique) et de la température (10°C, 25°C et 37°C). Parmi les 920 et 931 protéines uniques identifiées, provenant respectivement de cellules sessiles et planctoniques, beaucoup sont liées à des fonctions cellulaires de base, mais certaines sont liées à la thermorégulation. Des changements ont été observés dans le protéome de L. monocytogenes en biofilm par rapport aux cellules planctoniques, ce qui indique des modes de régulation différents selon le mode de croissance. Ces comparaisons de l'expression des protéines dans plusieurs conditions (modes de croissance, températures) enrichiront les bases de données et aideront à modéliser les circuits de régulation qui conduisent à l'adaptation de L. monocytogenes aux environnements. / Listeria monocytogenes is a Gram-positive bacterium implicated in serious food-borne infections. Most cases of human listeriosis are caused by the consumption of refrigerated ready-to-eat foods. The ability of these bacteria to survive and multiply in a wide range of harsh conditions make this pathogen a major concern in agro-food industries. These properties of L. monocytogenes are enhanced by its ability to form biofilms. The aim of this project was to explore the adaptation of this pathogen to dehumidification and low temperatures by two proteomic approaches. The first approach, based on the MALDI-TOF mass spectrometry imaging (IMS), allows the mapping of molecules from biological samples. This work aimed to develop this approach, considering a bacterial biofilm as a tissue, in order to access information on the distribution of proteins in L. monocytogenes biofilms subjected to a dehumidification stress. In addition, an LC-MS/MS approach was used to link spectral data of interest obtained by IMS and protein identification. The IMS allowed to examine the distribution of 47 low molecular weight proteins within the biofilms. Five identified proteins were assigned by LC-MS/MS using IMS m/z data, including two cold-shock proteins. The results demonstrate that imaging can be used to dissect the spatial proteome of a bacterial biofilm. The second proteomic approach consisted on a relative semi-quantitative label-free (shotgun proteomic) comparison of proteins expressed under different culture conditions. With the method, we explored protein expression according to the mode of growth (biofilm vs planktonic) and temperature (10°C, 25°C and 37°C). Throughout the 920 and 931 unique proteins identified, from sessile and planktonic cells, respectively, many are connected to basic cell functions, but some are linked with thermoregulation. A shift was observed in the proteome of L. monocytogenes biofilms compared to planktonic cells indicating different patterns of regulation according to the mode of growth. These comparisons of protein expression throughout several conditions (mode of growth and temperatures) will enrich databases and help to model regulatory circuitry that drives adaptation of L. monocytogenes to environments.

Les lipides représentent une classe essentielle de biomolécules au fonctionnement normal des organismes vivants. Étant donné leur complexité et leur très grande diversité, les analyses du lipidome combinent généralement une méthode de séparation analytique et une détection par spectrométrie de masse. Bien que ces méthodes d’analyses présentent plusieurs avantages, elles requièrent généralement une homogénéisation de l’échantillon préalablement à l’analyse. La conséquence est la perte de l’information spatiale des analytes au travers de l’échantillon. L’imagerie par spectrométrie de masse (IMS) est une technologie de pointe permettant de cartographier au niveau moléculaire des sections tissulaires minces sans homogénéisation préalable de l’échantillon. Cette technique d’analyse permet de caractériser une vaste gamme d’analyte d’intérêt sans l’utilisation de marqueurs spécifiques. Ainsi, cette cartographie moléculaire peut être combinée à des méthodes de coloration tissulaires ou de microscopie optique afin de corréler précisément les résultats obtenus avec les histologies des sections. En revanche, la délocalisation potentielle des analytes d’intérêt au travers de la section entraîne de graves erreurs d’interprétation et prévient la corrélation exacte des résultats IMS avec les régions histologiques d’intérêt. Les travaux mis en évidence dans ce mémoire présentent le développement, la caractérisation et l’utilisation d’une nouvelle lame d’analyse pour l’IMS permettant de drastiquement réduire la délocalisation des triacylglycérols (TAG) présents dans le gras viscéral. Dans un premier temps, ces travaux montrent la délocalisation des TAG sur et hors-section tissulaire ainsi que leur induction sur la migration conjointe de plusieurs classes de phospholipides (PL) dans leurs déplacements. Par la suite, l’amplitude de la délocalisation des TAG fut étudiée sur 12 types de lames différentes, et la caractérisation de la topographie et de l’hydrophobicité de ces lames à permis de mieux comprendre la relation entre la surface et l’ampleur de la délocalisation des TAG. Pour finir, le potentiel antidélocalisation d’une nouvelle lame en aluminium oxydé fut étudié avec deux tissus comprenant une large proportion de gras viscéral soit un échantillon de muscle de boeuf présentant des stries de gras internes et un rein de souris bordé de gras. Cette nouvelle lame permet une forte ségrégation des TAG comparativement aux résultats obtenus sur les lames commerciales couramment utilisées et ainsi augmenter la fidélité des analyses IMS obtenues. Cette nouvelle méthode permettra entre autres l’analyse de plusieurs organes et tissus d’intérêt très gras autrement difficile à analyser tel que le rein, la médulla surrénale, certains muscles et cancer du sein. / Lipids represent an essential class of biomolecules for the normal functioning of living organisms. Because of their high complexity and diversity, lipid analysis generally requires the combination of an analytical separation method with mass spectrometry detection. Although these methods present many advantages, they also generally require sample homogenization prior to analysis. This implies the loss of analyte spatial localization information within the sample. Imaging mass spectrometry (IMS) is a frontier technology that allows to generate molecular cartography of thin tissue sections without prior homogenization of the sample. This technique allows to characterize a vast variety of analyte without the use of any specific markers. IMS molecular cartography can be combined to staining methods for optic microscopy to precisely correlate results with the underlaying histological features. On the other hand, potential delocalization of analytes throughout the section would prevent correlation of the IMS results with any histological landmarks and lead to severe misinterpretation by an unaware analyst. The work in this master’s thesis presents the development, characterization and use of a new slide for IMS analyses allowing a drastic decrease the delocalization of triglycerides (TAG) abundant in visceral fat. In the first part of this work, TAG delocalization on and off tissue section and its effect on phospholipids (PL) delocalization was characterized. Subsequently, the extend of TAG delocalization was evaluated on 12 different slides and both surface topography and hydrophobicity studies allowed to better understand the relationship between surface chemistry and TAG delocalization. Finally, the ability of an optimal aluminum oxide slide to decrease visceral fat delocalization was investigated using fat-marbled beef sections and kidneys surrounded by significant fat bundles. This new aluminum oxide slide presents a strong segregation for TAG in comparison to commercially available ITO-coated slides. Overall, this new aluminum oxide slide can considerably limit TAG delocalization and improve IMS fidelity and will enable the analyses of multiples organs and samples presenting large amounts of fat such as kidney, adrenal medulla, muscles, and breast cancer, otherwise very difficult to analyze using traditional slides.

La spectrométrie de masse mesure la masse des ions selon leur rapport masse sur charge. Cette technique est employée dans plusieurs domaines et peut analyser des mélanges complexes. L’imagerie par spectrométrie de masse (Imaging Mass Spectrometry en anglais, IMS), une branche de la spectrométrie de masse, permet l’analyse des ions sur une surface, tout en conservant l’organisation spatiale des ions détectés. Jusqu’à présent, les échantillons les plus étudiés en IMS sont des sections tissulaires végétales ou animales. Parmi les molécules couramment analysées par l’IMS, les lipides ont suscité beaucoup d'intérêt. Les lipides sont impliqués dans les maladies et le fonctionnement normal des cellules; ils forment la membrane cellulaire et ont plusieurs rôles, comme celui de réguler des événements cellulaires. Considérant l’implication des lipides dans la biologie et la capacité du MALDI IMS à les analyser, nous avons développé des stratégies analytiques pour la manipulation des échantillons et l’analyse de larges ensembles de données lipidiques. La dégradation des lipides est très importante dans l’industrie alimentaire. De la même façon, les lipides des sections tissulaires risquent de se dégrader. Leurs produits de dégradation peuvent donc introduire des artefacts dans l’analyse IMS ainsi que la perte d’espèces lipidiques pouvant nuire à la précision des mesures d’abondance. Puisque les lipides oxydés sont aussi des médiateurs importants dans le développement de plusieurs maladies, leur réelle préservation devient donc critique. Dans les études multi-institutionnelles où les échantillons sont souvent transportés d’un emplacement à l’autre, des protocoles adaptés et validés, et des mesures de dégradation sont nécessaires. Nos principaux résultats sont les suivants : un accroissement en fonction du temps des phospholipides oxydés et des lysophospholipides dans des conditions ambiantes, une diminution de la présence des lipides ayant des acides gras insaturés et un effet inhibitoire sur ses phénomènes de la conservation des sections au froid sous N2. A température et atmosphère ambiantes, les phospholipides sont oxydés sur une échelle de temps typique d’une préparation IMS normale (~30 minutes). Les phospholipides sont aussi décomposés en lysophospholipides sur une échelle de temps de plusieurs jours. La validation d’une méthode de manipulation d’échantillon est d’autant plus importante lorsqu’il s’agit d’analyser un plus grand nombre d’échantillons. L’athérosclérose est une maladie cardiovasculaire induite par l’accumulation de matériel cellulaire sur la paroi artérielle. Puisque l’athérosclérose est un phénomène en trois dimension (3D), l'IMS 3D en série devient donc utile, d'une part, car elle a la capacité à localiser les molécules sur la longueur totale d’une plaque athéromateuse et, d'autre part, car elle peut identifier des mécanismes moléculaires du développement ou de la rupture des plaques. l'IMS 3D en série fait face à certains défis spécifiques, dont beaucoup se rapportent simplement à la reconstruction en 3D et à l’interprétation de la reconstruction moléculaire en temps réel. En tenant compte de ces objectifs et en utilisant l’IMS des lipides pour l’étude des plaques d’athérosclérose d’une carotide humaine et d’un modèle murin d’athérosclérose, nous avons élaboré des méthodes «open-source» pour la reconstruction des données de l’IMS en 3D. Notre méthodologie fournit un moyen d’obtenir des visualisations de haute qualité et démontre une stratégie pour l’interprétation rapide des données de l’IMS 3D par la segmentation multivariée. L’analyse d’aortes d’un modèle murin a été le point de départ pour le développement des méthodes car ce sont des échantillons mieux contrôlés. En corrélant les données acquises en mode d’ionisation positive et négative, l’IMS en 3D a permis de démontrer une accumulation des phospholipides dans les sinus aortiques. De plus, l’IMS par AgLDI a mis en évidence une localisation différentielle des acides gras libres, du cholestérol, des esters du cholestérol et des triglycérides. La segmentation multivariée des signaux lipidiques suite à l’analyse par IMS d’une carotide humaine démontre une histologie moléculaire corrélée avec le degré de sténose de l’artère. Ces recherches aident à mieux comprendre la complexité biologique de l’athérosclérose et peuvent possiblement prédire le développement de certains cas cliniques. La métastase au foie du cancer colorectal (Colorectal cancer liver metastasis en anglais, CRCLM) est la maladie métastatique du cancer colorectal primaire, un des cancers le plus fréquent au monde. L’évaluation et le pronostic des tumeurs CRCLM sont effectués avec l’histopathologie avec une marge d’erreur. Nous avons utilisé l’IMS des lipides pour identifier les compartiments histologiques du CRCLM et extraire leurs signatures lipidiques. En exploitant ces signatures moléculaires, nous avons pu déterminer un score histopathologique quantitatif et objectif et qui corrèle avec le pronostic. De plus, par la dissection des signatures lipidiques, nous avons identifié des espèces lipidiques individuelles qui sont discriminants des différentes histologies du CRCLM et qui peuvent potentiellement être utilisées comme des biomarqueurs pour la détermination de la réponse à la thérapie. Plus spécifiquement, nous avons trouvé une série de plasmalogènes et sphingolipides qui permettent de distinguer deux différents types de nécrose (infarct-like necrosis et usual necrosis en anglais, ILN et UN, respectivement). L’ILN est associé avec la réponse aux traitements chimiothérapiques, alors que l’UN est associé au fonctionnement normal de la tumeur. / Mass spectrometry is the measurement of the mass over charge ratio of ions. It is broadly applicable and capable of analyzing complex mixtures. Imaging mass spectrometry (IMS) is a branch of mass spectrometry that analyses ions across a surface while conserving their spatial organization on said surface. At this juncture, the most studied IMS samples are thin tissue sections from plants and animals. Among the molecules routinely imaged by IMS, lipids have generated significant interest. Lipids are important in disease and normal cell function as they form cell membranes and act as signaling molecules for cellular events among many other roles. Considering the potential of lipids in biological and clinical applications and the capability of MALDI to ionize lipids, we developed analytical strategies for the handling of samples and analysis of large lipid MALDI IMS datasets. Lipid degradation is massively important in the food industry with oxidized products producing a bad smell and taste. Similarly, lipids in thin tissue sections cut from whole tissues are subject to degradation, and their degradation products can introduce IMS artifacts and the loss of normally occurring species to degradation can skew accuracy in IMS measures of abundance. Oxidized lipids are also known to be important mediators in the progression of several diseases and their accurate preservation is critical. As IMS studies become multi-institutional and collaborations lead to sample exchange, the need for validated protocols and measures of degradation are necessary. We observed the products of lipid degradation in tissue sections from multiple mouse organs and reported on the conditions promoting and inhibiting their presence as well as the timeline of degradation. Our key findings were the increase in oxidized phospholipids and lysophospholipids from degradation at ambient conditions, the decrease in the presence of lipids containing unsaturations on their fatty acyl chains, and the inhibition of degradation by matrix coating and cold storage of sections under N2 atmosphere. At ambient atmospheric and temperature, lipids degraded into oxidized phospholipids on the time-scale of a normal IMS experiment sample preparation (within 30 min). Lipids then degraded into lysophospholipids’ on a time scale on the order of several days. Validation of sample handling is especially important when a greater number of samples are to be analyzed either through a cohort of samples, or analysis of multiple sections from a single tissue as in serial 3D IMS. Atherosclerosis is disease caused by accumulation of cellular material at the arterial wall. The accumulation implanted in the cell wall grows and eventually occludes the blood vessel, or causes a stroke. Atherosclerosis is a 3D phenomenon and serial 3D IMS is useful for its ability to localize molecules throughout the length of a plaque and help to define the molecular mechanisms of plaque development and rupture. Serial 3D IMS has many challenges, many of which are simply a matter of producing 3D reconstructions and interpreting them in a timely fashion. In this aim and using analysis of lipids from atherosclerotic plaques from a human carotid and mouse aortic sinuses, we described 3D reconstruction methods using open-source software. Our methodology provides means to obtain high quality visualizations and demonstrates strategies for rapid interpretation of 3D IMS datasets through multivariate segmentation. Mouse aorta from model animals provided a springboard for developing the methods on lower risk samples with less variation with interesting molecular results. 3D MALDI IMS showed localized phospholipid accumulation in the mouse aortic sinuses with correlation between separate positive and negative ionization datasets. Silver-assisted LDI imaging presented differential localization of free fatty acids, cholesterol / cholesterol esters, and triglycerides. The human carotid’s 3D segmentation shows molecular histologies (spatial groupings of imaging pixels with similar spectral fingerprints) correlating to the degree of arterial stenosis. Our results outline the potential for 3D IMS in atherosclerotic research. Molecular histologies and their 3D spatial organization, obtained from the IMS techniques used herein, may predict high-risk features, and particularly identify areas of plaque that have higher-risk of rupture. These investigations would help further unravel the biological complexities of atherosclerosis, and predict clinical outcomes. Colorectal cancer liver metastasis (CRCLM) is the metastatic disease of primary colorectal cancer, one of the most common cancers worldwide. CRC is a cancer of the endothelial lining of the colon or rectum. CRC itself is often cured with surgery, while CRCLM is more deadly and treated with chemotherapy with more limited efficacy. Prognosticating and assessment of tumors is performed using classical histopathology with a margin of error. We have used lipid IMS to identify the histological compartments and extract their signatures. Using these IMS signatures we obtained a quantitative and objective histopathological score that correlates with prognosis. Additionally, by dissecting out the lipid signatures we have identified single lipid moieties that are unique to different histologies that could potentially be used as new biomarkers for assessing response to therapy. Particularly, we found a series of plasmalogen and sphingolipid species that differentiate infarct-like and usual necrosis, typical of chemotherapeutic response and normal tumor function, respectively.

La spectrométrie de masse est une technique analytique permettant de mesurer le ratio masse sur charge d’un ion. Cette technique, très répandue en chimie analytique permet d’élucider la composition moléculaire de mélanges complexes à partir de systèmes homogénéisés. De ce fait, toute l’information sur la distribution spatiale des molécules est perdue. L’imagerie par spectrométrie de masse (IMS) a été inventée afin de résoudre ce problème et permettre d’élucider la distribution spatiale de molécules cibles sur des sections tissulaires minces provenant de tissus biologiques tels que de mammifères ou de plantes. L’un des grands avantages de l’IMS est sa complémentarité à l’histopathologie, technique permettant de révéler la structure ainsi que la localisation de certaines biomolécules à partir de sections tissulaires minces. Cependant, cette dernière se limite principalement aux protéines et aux molécules pouvant avoir une interaction spécifique avec un anticorps. L’IMS permet la détection d’une vaste gamme de biomolécules allant des petits métabolites aux polymères de haut poids moléculaire. Parmi les biomolécules détectables par IMS, les lipides attirent de plus en plus l’attention des analystes. En effet, ils occupent différentes fonctions clés au sein des systèmes biologiques, autant structurales que métaboliques, comme constituants des parois cellulaires, acteurs de la signalisation cellulaires ainsi que dans le stockage d’énergie. Leur intérêt est d’autant plus important qu’aucune technique histologique classique ne permet actuellement de détecter de façon spécifique les différentes classes de lipides. De façon générale, l’IMS de lipides est effectuée en utilisant la désorption-ionisation laser assistée par matrice (MALDI). Ce procédé permet de révéler l’emplacement de ii différentes classes de molécules en exploitant l’affinité que ces dernières ont pour une matrice particulière. Au-delà du choix de la matrice, d’autres paramètres tels que le mode de déposition de la matrice, le choix des solvants ainsi que le type de lavage utilisé vont également affecter le type de molécules détectés lors d’une analyse MALDI. Malgré les très bonnes performances du MALDI pour l’analyse de lipides, ce mode d’analyse se limite souvent aux lipides polaires facilement ionisables. Les lipides neutres comme le cholestérol (CHO) et les triacylglycérols (TAGs) sont impliqués à différents niveaux de fonctions biologiques fondamentales. Ainsi, nous avons développé trois stratégies permettant l’analyse de ces lipides neutres et de faibles abondances comme les gangliosides, directement à partir de sections tissulaires minces par MALDI ainsi que par désorption-ionisation laser classique (LDI). L’implication du cholestérol en tant que molécule structurale et précurseur de la synthèse de diverses hormones et vitamines, en fait une cible de choix pour l’analyse par IMS. Historiquement, l’analyse du cholestérol par MALDI permettait de le détecter sous sa forme déshydratée. De ce fait, il était impossible de le distinguer des autres métabolites tels que ses esters qui produisaient le même fragment. Afin de permettre l’IMS du cholestérol intact nous avons développé une nouvelle technique de préparation d’échantillons reposant sur le dépôt d’une couche nanométrique d’argent (16±2 nm) sur une section tissulaire mince par pulvérisation. Cette technique permet d’ioniser spécifiquement le cholestérol intact ainsi que divers acides gras sous forme d’adduits d’argent, et ce, avec une haute résolution spatiale (5 µm). iii Au-delà du cholestérol et des acides gras, une autre classe de lipides neutres très abondants, les triglycérides, reste difficilement analysable par MALDI IMS. En effet, les TAGs constituent la principale classe de lipides impliqués dans le stockage énergétique au niveau cellulaire. Ce rôle comme source d’énergie fait des TAGs un acteur incontournable de plusieurs maladies métaboliques telles que la stéatose hépatique, l’athérosclérose ainsi que la maladie d’Alzheimer. La difficulté d’analyser les TAGs par IMS provient de leur fragilité en milieu acide ainsi que de leur faible tendance à former des adduits sodium nécessaire à leurs analyses. En considérant ces limites, nous avons développé une méthodologie de préparation d’échantillon en deux étapes permettant l’analyse hautement spécifique des TAGs par LDI IMS. Dans un premier temps, les sections tissulaires minces sont initialement exposées à une solution aqueuse contenant un tampon carbonate à base de sodium (pH 10.3, 85 mM) ainsi que d’acétate de sodium (250 mM) afin de facilité la formation d’adduit sodium et de limiter la fragmentation des TAGs en source. Par la suite, une couche nanométrique d’or (28±3 nm) est déposée sur la section afin de permettre l’analyse des TAGs par IMS à haute résolution spatiale (> 10 µm). Lorsque ces derniers ont une abondance réduite dans les sections tissulaires, cette méthode permet aussi l’analyse d’esters de cholestérol (CE). La maladie de Hunter est une maladie génétique caractérisée par l’accumulation de glycosaminoglycanes (GAGs) ainsi que de l’accumulation secondaire de gangliosides. Ce phénomène est dû à l’absence de l’enzyme iduronate-2-sulfatase (IdS) qui permet la dégradation des GAGs. L’accumulation des GAGs et des gangliosides a pour conséquence l’apparition de problèmes fonctionnels et neurologiques majeurs entrainant la mort. Il existe une thérapie de remplacement enzymatique où une forme recombinante de l’enzyme IdS est injectée aux patients. Cette thérapie permet de rétablir le métabolisme normal des GAGs et iv gangliosides dans tous les organes sauf le cerveau où la barrière hémato-encéphalique empêche l’IdS recombinante d’atteindre les zones affectées. L’étude de la composition moléculaire des dépôts de GAGs et gangliosides au niveau cérébral constitue un défi important afin de comprendre la progression des troubles neurologiques engendrés par cette accumulation. À cette fin, nous avons développé une méthode MALDI spécifique à l’analyse des gangliosides à partir de sections tissulaires minces de cerveau de souris simulant la maladie Hunter (IdS-KO). Cette méthode d’analyse par MALDI IMS permet une révélation immuno-histochimique (IHC) des dépôts suivant l’analyse IMS. Nous avons pu visualiser cinq types de gangliosides dont quatre spécifiques au dépôt présent dans les cerveaux révélés par IHC sur la même section tissulaire. Cette étude nous a permis de distinguer pour la première fois des GM3 et GM2 selon la composition de leur chaine latérale et non de leur chaine polysaccharidique révélée par l’analyse IHC. / Mass spectrometry (MS) is an analytical technique that measures the mass-to-charge ratio of ions. This technique is widely used in analytical chemistry to solve the molecular composition of complex homogenized samples. The use of homogenized samples means that all the information with respect to the initial distribution of analytes is lost. Imaging mass spectrometry (IMS) is an MS technique which is able to provide the spatial localization of a given analyte on a surface, such as thin tissue sections from various animal sources. One of the greatest advantages of IMS is its complementarity with histopathology which normally reveals the general structure of thin tissue sections as well as the localization of certain biomolecules such as proteins or of any molecules capable of specific interactions with an antibody. On the other hand, IMS is capable of imaging a wide variety of biomolecules ranging from small metabolites to the high molecular weight proteins and polymers. Among these, lipids are of particular interest for their key involvements in many biological processes. Their interest is even greater when considering that lipid imaging by classical histology is unable to differentiate between all lipid species. IMS of lipids is typically performed using matrix assisted laser desorption/ionization (MALDI). MALDI IMS can differentiate various classes of lipids and their localization within a thin tissue section by taking advantage of the specific affinity that different classes of lipids have for different matrices. The matrix deposition process, along with the choice of solvents, are key parameters that need to be considered in MALDI IMS. While MALDI offers great coverage of the phospholipidome, it fails miserably for neutral lipid analysis. Indeed, cholesterol and triacylglycerols (TAGs) are two classes of neutral lipids with very important vi biological roles which are extremely difficult to image by MALDI. We have developed three new strategies that enables the detection of neutral lipids, some of which are expressed in low abundance such as gangliosides, directly from thin tissue section using either MALDI or laser desorption/ionization (LDI). Cholesterol is a precursor of many key biomolecules such as vitamins and hormones. It’s also a major component of the cellular membrane. MALDI IMS allows in some cases imaging of the dehydrated form of cholesterol. Unfortunately, detecting cholesterol as such makes it impossible to distinguish some of its metabolites which ionize in a similar fashion and dissociate to produce the same ions. To address this issue, we have developed a new sample preparation method involving the deposition of a nanometer scale silver layer (16±2 nm) over a thin tissue section. This enables the detection by LDI MS of intact cholesterol and some fatty acid species as silver adducts with up to 5 µm in spatial resolution. Beyond cholesterol and fatty acids, TAGs is another class of highly abundant neutral lipids still poorly detected by MALDI IMS. As TAGs are the main molecules involved in energy storage of cells, they have been implicated in many metabolic diseases such as non- alcoholic fatty liver disease, atherosclerosis and even Alzheimer’s disease. The reason why TAGs are poorly detected by MALDI comes from two key factors. First, TAGs are unstable in acidic environments, typical of MALDI matrices. Second, competition effects for the ionizing proton provided by the MALDI matrix prevent TAGs from easily ionizing through this main ionization process. To overcome these limitations, we have developed a new two-step sample preparation method for TAG LDI IMS. We initially deposited a solution of carbonate buffer (pH 10.3, 85 mM) and sodium acetate (250 mM) on the tissue section to increase the amount vii of available sodium for enhanced TAG ionization. The second step consisted of sputtering a nanometer scale UV absorbing gold layer (28±3 nm) that allows for the detection of TAGs by LDI IMS with spatial resolution as low as 10 µm. When TAGs are present in low amounts in the tissue section, this method also enables the detection of cholesterol esters. Hunter’s disease is a genetic disease characterized by the abnormal accumulation of glucoaminoglycans (GAGs) and the secondary accumulation of gangliosides due to the lack of iduronate-2-sulfatase (IdS) enzyme which controls their degradation. The accumulation of both GAGs and gangliosides form deposits which induces various functional issues to different organs as well as neurologic disorders. To minimize these effects, an enzyme replacement therapy has been developed. Unfortunately, it shows efficacy in all organs except the brain due to the inability of the recombinant enzyme to cross the blood-brain barrier. To further our knowledge of the progression of the disease, using a mouse model of Hunter’s disease we have developed a MALDI based method to specifically image gangliosides in brain deposits with a spatial resolution of 5 µm. This method also permits subsequent ganglioside staining by immunohistochemtry of the tissue section. With this method, we have identified four types of ganglioside which are specific to the Hunter’s disease pathology. We were also able to detect two types of deposits, one which is enriched in short chain gangliosides and the other in long chain gangliosides.

Présentement, la désorption ionisation laser assistée par la matrice (MALDI) est la méthode d’ionisation préférentielle pour étudier les lipides par l’imagerie par spectrométrie de masse (IMS). Bien qu’il existe les matrices spécifiques aux lipides, tel que la 1,5-DAN pour les phospholipides et la 2,5-DHB pour les triacylglycérols, il est toujours nécessaire d’augmenter la sensibilité de cette technique pour les échantillons atypiques ou certaines classes de lipides. Dans la première étude, nous avons amélioré la sensitivité pour les phospholipides sur les tubes de Malpighi de mouches prélevés par microdissection dans un tampon physiologique à base de sodium et potassium. Un protocole de lavage à deux étapes a était trouvé favorable : un premier rinçage dans le glycérol suivi d’un second rinçage dans l’acétate d’ammonium. Ce protocole permet de réduire au maximum la présence de sels sans délocalisation notoire des phospholipides. La détection et l’imagerie des phospholipides en ionisation négative et positive ont suggéré une distribution uniforme sur toute la longueur des tubes. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus sur des sections tissulaires minces de mouche entière acquis avec les deux polarités. Néanmoins, la structure tridimensionnelle complexe des tubes rénaux suggère que la microdissection est l’approche la plus favorable pour en étudier leur lipidome. Dans la deuxième étude, nous avons déterminé que l’addition de formate d’ammonium (AF) peut améliorer la détection des gangliosides par IMS dans le cerveau. Curieusement, il est nécessaire de rincer l’échantillon dans une solution d’AF avant l’addition de ce même sel suivit d’une conservation de l’échantillon dans un congélateur pendant 24 heures après la déposition de la matrice afin d’obtenir la meilleure augmentation de sensibilité. En moyenne, cette approche a permis d’augmenter l’intensité d’un facteur dix avec trois fois plus d’espèces de gangliosides détectées. De plus, malgré l’étape de lavage, nous n’avons pas observé la délocalisation des gangliosides puisqu’il est toujours possible d’obtenir les résultats d’IMS de qualité avec une résolution spatiale de 20 µm. Finalement, nous avons établi que le nitrate d’argent permet l’analyse des oléfines par IMS, en particulier du cholestérol. En optimisant le protocole de déposition par nébulisation, il est possible de générer une couche mince et homogène de nitrate d’argent ce qui rend la possibilité d’effectuer l’IMS à haute résolution spatiale, jusqu’à 10 µm, sans perte de qualité comparativement aux autres approches publiées. L’ensemble de ce travail démontre l’effet du sel sur la sélectivité et la sensibilité pour cibler les familles de lipides désirées, ce qui nécessite les études ultérieures sur le rôle de ces sels lors du processus de la désorption-ionisation. / Matrix-assisted laser desorption/ionization imaging mass spectrometry (MALDI IMS) is currently the ionization method of choice for elucidating the spatial distribution of lipids on thin tissue sections. Despite the discovery of lipid friendly matrices such as 1,5-DAN for phospholipids and 2,5-DHB for triacylglycerols, there is a continued need to improve sensitivity. In the first study, we improved the overall sensitivity for phospholipids of entire fly Malpighian tubules microdissected in PBS with a two-step wash in glycerol followed by ammonium acetate that removed the bulk of the salt with minimal species delocalization and tubule displacement. We were able to detect phospholipids in both positive and negative ion modes and revealed an even distribution of most phospholipids along the length of this organ. We compared the method to the results from whole body fly sections acquired in dual-polarity mode at the same spatial resolution and found it to be more suitable for studying the tubules because of the complex three-dimensional structure of this organ within the fly. In the second study, we observed a marked improvement in ganglioside signals on mouse brain tissue sections with ammonium salt addition. Specifically, when the sample was first desalted in a low concentration ammonium formate solution, spray-coated with the same salt, coated with matrix and finally left in the freezer overnight before data acquisition, we observed an average overall improvement in ganglioside signal intensity by ten-fold and the number of species detected by three-fold. This method also did not affect the spatial distribution of the gangliosides, as high spatial resolution IMS results acquired at 20 µm showed no species delocalization. Finally, we sought to determine if salts could be employed directly as matrices. In this work, we tested silver-based metal salts and discovered that spray depositing silver nitrate alone is a viable method for the IMS detection of olefins, particularly cholesterol. With the optimized dry spray parameter, the overall deposition is homogeneous and composed of microscopic salt crystals that allow for high spatial resolution IMS down to 10 µm while maintaining acceptable overall signal quality comparable to that of previously published protocols. Overall, this thesis demonstrates we can manipulate the local salt distribution to influence the sensitivity and selectivity to target specific lipid subfamilies, opening the door for future research to understanding the role salts play during the laser desorption/ionization process.

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