京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23066号 / 医博第4693号 / 新制||医||1049(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 渡邊 直樹, 教授 溝脇 尚志, 教授 藤田 恭之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

En dépit de l'abondance de données scientifiques, les mécanismes cellulaires régulant la sécrétion du pic pré-ovulatoire de LH lors du proestrus, restent encore mal compris.Afin de pouvoir étudier les mécanismes sous-jacents à cette sécrétion, j’ai tout d’abord adapté des techniques innovantes d’imagerie fonctionnelle en microscopie de fluorescence in vivo, d’injections de vecteurs viraux dans l’hypophyse, d’optogénétique sur animal éveillé et d’immunohistofluorescence sur organe entier.J’ai ensuite montré la plasticité structurelle des cellules gonadotropes et des péricytes (cellules « murales » péri-vasculaires) lors du proestrus sur des hypophyses transparisées. Ce remodelage a permis de proposer l’existence d’une unité Gonadotrope-Vasculaire (GVU) composée des cellules gonadotropes, des capillaires fenêtrés et des péricytes dans laquelle ces derniers moduleraient le pic pré-ovulatoire de LH.La contraction des péricytes via l’activation de la Channelrhodopsine-2 a permis de mettre en évidence leur rôle dans la potentialisation de la sécrétion de LH chez des animaux libres de leurs mouvements et implantés d’une fibre optique.Des expériences de microscopie à l’aide d’une lentille GRIN implantée au-dessus de l’hypophyse ont permis, chez l’animal éveillé en configuration « tête-fixée », d’étudier le flux sanguin et l’activité calcique de cellules de la GVU exprimant GCaMP6. Cette étude a également été menée sur la face ventrale de l’hypophyse sur souris anesthésiée. Les résultats montrent une activité calcique in vivo augmentée dans les cellules endocrines hypophysaires et diminuée dans les péricytes lors d’une sécrétion de la LH induite par la GnRH. / In spite of abundance of scientific data, cellular mechanisms regulating the secretion of the pre-ovulatory LH surge during proestrus are still poorly understood.In order to study the mechanisms underlying this secretion, I adapted innovative tech-niques for in vivo fluorescence functional imaging, injection of viral vectors in the pitui-tary gland, optogenetics in awake animals and immunohistofluorescence in the whole organ.I then showed structural plasticity of gonadotroph cells and pericytes (perivascular "mural" cells) during proestrus in cleared hypophyses. This suggested the existence of a Gonadotroph-Vascular Unit (GVU) composed of gonadotroph cells, fenestrated capil-laries and pericytes, in which the latter would modulate the pre-ovulatory LH surge.Pericytes contraction via Channelrhodopsine-2 activation permitted to demonstrate their role in the sensitization of LH secretion in freely moving animals implanted with an optical fiber.Finally, blood flow and calcium activity in GVU cells expressing GCaMP6 were performed in awake « head-fixed » animals in which visualization of the pituitary gland was achievable through an implanted GRIN lens. These experiments were also conduct-ed at the ventral side of the pituitary gland in anesthetized mice. Analysis showed that in vivo calcium activity increases in endocrine cells and decreases in pericytes during GnRH-induced LH secretion.

Le développement des senseurs protéiques et des outils optogénétiques au cours des dernières années a donné une place particulière à la microscopie pour l’étude des processus moléculaires in-vivo. L’équipe « Nano-optique et physiologie intégrée » développe des montages optiques originaux pour exploiter ces nouveaux outils chez le petit animal vivant en collaboration avec des neurobiologistes. Nous nous intéressons en particulier à l’organisation cellulaire et à l’activité des réseaux neuronaux impliqués dans la mémorisation associative olfactive de la drosophile. En amont, mon travail de thèse a été de mettre en place un microscope grand champ, basé sur le principe de la microscopie à HiLo, permettant l’acquisition rapide de sections optiques et la reconstruction tridimensionnelle de réseaux neuronaux. Après avoir prouvé la pertinence de l’approche choisie lorsqu’elle est associée aux outils génétiques permettant un marquage sélectif des neurones, le cœur de mon travail fut le développement d’un montage original permettant d’atteindre les objectifs de résolution spatiale et de vitesse. Son originalité se situe dans l’utilisation de la technologie des matrices de micro-miroirs (DLP) pour structurer l’illumination. Ce système de micro-miroirs pilotables peut moduler le faisceau d’une source LED haute puissance à haute cadence. Dans une seconde partie, j’ai caractérisé ce microscope et réalisé de premières expériences in-vivo avec les développements spécifiques nécessaires à ces expériences. En particulier, en utilisant un rapporteur protéique calcique fluorescent, GCamP3, j’ai montré que l’on pouvait suivre, dans des régions ciblées du cerveau, la réponse à des stimulations physiologiques à cadence vidéo. / In the last decades, optogenetic and protein reporter development have given a special place to optical microscopy for in-vivo investigation of biological molecular processes. Our team, “Nano-optics and integrated physiology”, develops optical set-ups to take advantage of these tools on small living animals, in collaboration with neurobiologists. We are particularly interested both in the cellular organization and neural activity involved in the olfactory memory formation in drosophila. Upstream to these investigations, my PhD research aimed at developing a new implementation for wide-field microscopy based on the HiLo concept. The new design took advantage of the micro-mirror array technology (DLP) to structure the illumination. This system can modulate the beam made by a high power LED illumination with high acquisition rates. I characterized this microscope and realized preliminary in-vivo experiments with specific developments made for physiological experiments under the microscope. Thus, I demonstrated both high spatial resolution imaging and a tenfold increase of speed with respect to confocal microscopy. I reached acquisition rates compatible with 3D monitoring of specific neural networks.

Développer de nouveaux fluorophores ayant une forte section efficace d’absorption à deux photons (ADP) et des propriétés d'émission dans le rouge lointain est important, en particulier pour l’imagerie in-vivo profonde. Cette gamme de longueur d'onde correspond en effet à la fenêtre de transparence optique des tissus. Cette thèse étudie le potentiel de nouveaux fluorophores émettant dans rouge construits sur un noyau fluorène pour la microscopie à deux photons in-vivo, en privilégiant l'imagerie du système vasculaire, d'une part, et la mesure optique de la pression d'oxygène dissous, d'autre part.Ainsi, une famille de chromophores asymétriques a été conçue et synthétisée. La plupart des chromophores présentent une forte émission dans le proche IR, induite par l'agrégation. De plus, une stratégie de co-protection basée sur un système micellaire / silice a été utilisé pour préparer des nanoparticules avec un intérieur apolaire et conserver les propriétés optiques des chromophores dipolaires en solution aqueuse. Des mesures de fluorescence excitée à deux photons ont été menées en solvant organique et en suspension aqueuse. Les agrégats et les nanoparticules ont été utilisés avec succès en imagerie biphotonique du système vasculaire sur petit animal en utilisant un modèle de tumeur à l'intérieur de la peau de l'oreille de la souris. Les nanoparticules de silice montrent une coloration exceptionnelle du système vasculaire qui en fait de parfaits marqueurs du système vasculaire.Dans un deuxième temps, quatre nouveaux chromophores, absorbant à deux photons, ont été synthétisés et leurs propriétés photo physiques à un et à deux photons ont été étudiées. Le chromophore le plus adapté a ensuite été greffé de manière covalente par chimie click, à un complexe de palladium avec un ligand porphyrine, cœur phosphorescent dont l’émission est sensible à la présence d’oxygène. Deux composés contenant quatre ou huit absorbeur à deux photons ont été obtenus et étudiés. Les résultats démontrent que l'incorporation d'un chromophore ADP approprié peut effectivement augmenter les propriétés d’ADP du système, ce qui permet une sensibilité efficace vis-à-vis de l'oxygène. / The development of fluorophores with efficient two-photon absorption (TPA) and emission properties in the far red/NIR is important, especially for in depth in-vivo optical imaging as this wavelength range corresponds to the optical transparency window of tissues. This thesis investigates the potential of new red emitting fluorophores containing a fluorene ring for in-vivo two-photon microscopy focusing on vascular imaging on one hand and on oxygen pressure measurement on the other hand.A new series of asymmetrical fluorene-based chromophores were designed and synthesized. Their structure-property relationships were systematically investigated. It was found that most of chromophores exhibit aggregation-induced emission behaviors in the NIR region. In addition, a micelle/silica coprotection strategy was proposed to prepare nanoparticles with a less polar interior, which can be used to conserve optical properties of dipole chromophores in aqueous solution. The two-photon excited fluorescence (TPEF) measurements indicate that they all display obvious TPA activities in organic solvent and aqueous suspension. Both the NIR-emissive aggregates and nanoparticles have been successfully used for TPEF imaging of blood vessels inside mouse ear skin. The silica nanoparticles show outstanding staining of the vascular system making them perfect blood pool markers.On a second part, four new fluorene-based two-photon absorbing chromophores have been synthesized and their one- and two-photon photophysical properties were investigated. The optimum chromophore was successfully attached covalently to an oxygen responsive phosphorescent Pd-porphyrin complex by click chemistry. Two new compounds contain four or eight TPA chromophores donor connected to the phosphorescent core. The result demonstrate that the incorporation of a suitable TPA chromophore can effectively enhance the TPA of the system, allowing efficient sensitivity towards oxygen.

Intravital microscopy (IVM) is a well-established imaging technique for real-time monitoring of microscale lung tissue dynamics. Although accepted as a gold standard in respiratory research, its characteristic image features are scarcely understood, especially when trying to determine the actual position of alveolar walls. To allow correct interpretation of these images with respect to the true geometry of the lung parenchyma, we analyzed IVM data of alveoli in a mouse model in comparison with simultaneously acquired optical coherence tomography images. Several IVM characteristics, such as double ring structures or disappearing alveoli in regions of liquid filling, could be identified and related to the position of alveoli relative to each other. Utilizing a ray tracing approach based on an idealized geometry of the mouse lung parenchyma, two major reflection processes could be attributed to the IVM image formation: partial reflection and total internal reflection between adjacent alveoli. Considering the origin of the reflexes, a model was developed to determine the true position of alveolar walls within IVM images. These results allow thorough understanding of IVM data and may serve as a basis for the correction of alveolar sizes for more accurate quantitative analysis within future studies of lung tissue dynamics.