Bacillus anthracis, l'agent infectieux responsable de la maladie du charbon, est un agent pathogène majeur du risque biologique provoqué, notamment en raison de la sévérité de la forme respiratoire de la maladie. Celle-ci résulte de l'inhalation de spores dont les mécanismes de pénétration au niveau pulmonaire sont mal connus à l'heure actuelle. Cette thèse présente les apports des microscopies confocale et biphotonique à l'étude de ces mécanismes de pénétration des spores inhalées. Le modèle murin CX3CR1+/gfp, dont la sous-population CD11b+ de cellules dendritiques (DCs) exprime constitutivement la protéine de fluorescence verte (GFP), a été utilisé dans ces travaux. Une première partie présente le développement d'une méthode automatisée de discrimination des DCs parmi d'autres populations cellulaires exprimant le même fluorophore, en se basant sur le calcul d'un coefficient morphologique. Cette méthode a permis d'étudier dans un deuxième temps le comportement spécifique de la sous-population de DCs CD11b, après infection par des spores de B. anthracis. L'étude microscopique a été d'abord effectuée in situ, c'est-à-dire sur des explants pulmonaires maintenus dans des conditions favorables à la préservation de l'activité cellulaire, puis in vivo, sur des souris anesthésiées et ventilées. Le protocole d'imagerie tire profit d'une stratégie d'acquisition et de traitement a posteriori des données permettant de surmonter, sans contrainte mécanique appliquée à l'organe, les problèmes de focalisation liés aux mouvements thoraciques durant la ventilation de l'animal. Cette stratégie originale utilise un sur-échantillonnage de l'acquisition et profite du signal de seconde harmonique généré par le collagène comme référence spatiale ; elle a permis l'observation in vivo d'interactions entre DCs et macrophages au niveau pulmonaire. Ces interactions, de type synapse immunologique, sont favorisées par l'infection et présentent donc un rôle fonctionnel qui reste à définir. La formation de synapses immunologiques entre macrophages et DCs pourrait non seulement représenter un chaînon manquant à l'explication de la pénétration des spores de B. anthracis au niveau pulmonaire, mais pourrait aussi constituer un enjeu crucial dans la compréhension de la réponse immunitaire associée aux infections pulmonaires. / Bacillus anthracis, the causative agent of anthrax, is a major bioterrorism pathogen mainly because it can lead to a severe respiratory form of the disease. This form results from inhalation of spores, whose ways of entry into the lungs are not fully understood. This thesis reports the contribution of confocal and two-photon microscopy to the study of the penetration mechanisms of inhaled spores. The animal model utilized was CX3CR1+/gfp mouse, which constitutively expresses the green fluorescent protein (GFP) on CD11b+ dendritic cells (DCs). First, we present an automated method allowing discrimination of DCs among other GFP expressing cells, based on a morphologic coefficient. This method was then applied to the study of the specific behavior of CD11b DCs, after infection by B. anthracis spores. The microscopic study was first performed in situ, i.e. on explanted organs kept in conditions favorable to cell dynamics, then in vivo, i.e. on anesthetized and ventilated mice. In this case the imaging protocol profits from both acquisition and post-processing strategies, and allowed overcoming the focalization pitfalls coming from chest movements during ventilation. This novel strategy is based on an over-sampling of frame acquisition and utilizes second harmonic generation signal from alveolar collagen as a spatial reference. It led to the first ever in vivo observation of interactions between DCs and macrophages at the lung level. These immunological synapse-like structures are promoted by infection and thus display a functional role unknown until now. The formation of macrophages-DCs immunological synapses not only could represent a missing-link in figuring out the B. anthracis spore penetration mechanisms at the lung level, but more importantly could lead to a better understanding of the immune response associated with pulmonary infections.

L'utilisation de la microscopie confocale et biphotonique de fluorescence est de plus en plus répandue dans le domaine biomédical. En effet, l'imagerie d'intensité, de spectre et de durée de vie de fluorescence permettent de détecter, quantifier et imager les composants fluorescents intrinsèques d'un milieu biologique ainsi que les sondes extrinsèques. Dans le cadre du dépistage précoce de cancer, les modes de détection non-invasifs actuellement mis en place manquent de sensibilité pour permettre d'établir de manière fiable un diagnostic. Les médecins ont alors recours à des examens complémentaires, invasifs, comme la biopsie. Dans le cas de notre étude, différentes techniques de microscopie ont été exploitées pour mettre en place une méthode de diagnostic précoce non-invasive de cancer. Nous avons ainsi utilisé conjointement la microscopie confocale résolue spectralement et la microscopie biphotonique pour les images de durée de vie de fluorescence (FLIM). Cette dernière technique a d'ailleurs été récemment optimisée avec la mise en place d'un système d'excitation biphotonique multipoint qui permet d'accélérer significativement la vitesse d'acquisition des images. Il s'agit d'un système optique générant une matrice de 64 faisceaux excitateurs ce qui réduit considérablement le temps d'exposition des échantillons biologiques, les préservant ainsi des photodégradations. Ces techniques, largement complémentaires, ont permis de différencier, sur différents types de cytologies, les cellules présentant une faible malignité des cellules saines en utilisant comme facteur de contraste la fluorescence des entités intracellulaires. Grâce à cette méthode, les cellules de bas grades de malignité ont pu ainsi être identifiées sur des cytologies du col de l'utérus. En s'appuyant sur une démarche expérimentale similaire, un nouveau test a également été élaboré permettant de déceler avant traitement chez un patient une résitance à des polychimiothérapies usuellement utilisées dans le traitement des cancers urothéliaux tel que M-VAC. A l'issu de ce travail, une signature spectroscopique permettant de discriminer les cellules résistantes des cellules sensibles à la polychimiothérapie a pu être identifiée.

L'utilisation de la microscopie confocale et biphotonique de fluorescence est de plus en plus répandue dans le domaine biomédical. En effet, l'imagerie d'intensité, de spectre et de durée de vie de fluorescence permettent de détecter, quantifier et imager les composants fluorescents intrinsèques d'un milieu biologique ainsi que les sondes extrinsèques. Dans le cadre du dépistage précoce de cancer, les modes de détection non-invasifs actuellement mis en place manquent de sensibilité pour permettre d'établir de manière fiable un diagnostic. Les médecins ont alors recours à des examens complémentaires, invasifs, comme la biopsie. Dans le cas de notre étude, différentes techniques de microscopie ont été exploitées pour mettre en place une méthode de diagnostic précoce non-invasive de cancer. Nous avons ainsi utilisé conjointement la microscopie confocale résolue spectralement et la microscopie biphotonique pour les images de durée de vie de fluorescence (FLIM). Cette dernière technique a d'ailleurs été récemment optimisée avec la mise en place d'un système d'excitation biphotonique multipoint qui permet d'accélérer significativement la vitesse d'acquisition des images. Il s'agit d'un système optique générant une matrice de 64 faisceaux excitateurs ce qui réduit considérablement le temps d'exposition des échantillons biologiques, les préservant ainsi des photodégradations. Ces techniques, largement complémentaires, ont permis de différencier, sur différents types de cytologies, les cellules présentant une faible malignité des cellules saines en utilisant comme facteur de contraste la fluorescence des entités intracellulaires. Grâce à cette méthode, les cellules de bas grades de malignité ont pu ainsi être identifiées sur des cytologies du col de l'utérus. En s'appuyant sur une démarche expérimentale similaire, un nouveau test a également été élaboré permettant de déceler avant traitement chez un patient une résitance à des polychimiothérapies usuellement utilisées dans le traitement des cancers urothéliaux tel que M-VAC. A l'issu de ce travail, une signature spectroscopique permettant de discriminer les cellules résistantes des cellules sensibles à la polychimiothérapie a pu être identifiée.

Bacillus anthracis, l'agent infectieux responsable de la maladie du charbon, est un agent pathogène majeur du risque biologique provoqué, notamment en raison de la sévérité de la forme respiratoire de la maladie. Celle-ci résulte de l'inhalation de spores dont les mécanismes de pénétration au niveau pulmonaire sont mal connus à l'heure actuelle. Cette thèse présente les apports des microscopies confocale et biphotonique à l'étude de ces mécanismes de pénétration des spores inhalées. Le modèle murin CX3CR1+/gfp, dont la sous-population CD11b+ de cellules dendritiques (DCs) exprime constitutivement la protéine de fluorescence verte (GFP), a été utilisé dans ces travaux. Une première partie présente le développement d'une méthode automatisée de discrimination des DCs parmi d'autres populations cellulaires exprimant le même fluorophore, en se basant sur le calcul d'un coefficient morphologique. Cette méthode a permis d'étudier dans un deuxième temps le comportement spécifique de la sous-population de DCs CD11b, après infection par des spores de B. anthracis. L'étude microscopique a été d'abord effectuée in situ, c'est-à-dire sur des explants pulmonaires maintenus dans des conditions favorables à la préservation de l'activité cellulaire, puis in vivo, sur des souris anesthésiées et ventilées. Le protocole d'imagerie tire profit d'une stratégie d'acquisition et de traitement a posteriori des données permettant de surmonter, sans contrainte mécanique appliquée à l'organe, les problèmes de focalisation liés aux mouvements thoraciques durant la ventilation de l'animal. Cette stratégie originale utilise un sur-échantillonnage de l'acquisition et profite du signal de seconde harmonique généré par le collagène comme référence spatiale ; elle a permis l'observation in vivo d'interactions entre DCs et macrophages au niveau pulmonaire. Ces interactions, de type synapse immunologique, sont favorisées par l'infection et présentent donc un rôle fonctionnel qui reste à définir. La formation de synapses immunologiques entre macrophages et DCs pourrait non seulement représenter un chaînon manquant à l'explication de la pénétration des spores de B. anthracis au niveau pulmonaire, mais pourrait aussi constituer un enjeu crucial dans la compréhension de la réponse immunitaire associée aux infections pulmonaires.

La "cryopolymérisation" permet d'obtenir des gels de polymère macroporeux ou "cryogels". Cette méthode a été utilisée pour la synthèse d'hydrogels thermosensibles à base de pNIPA. La température critique TC correspondant à la transition de volume a été déterminée par des mesures de taux de gonflement et par DSC. La macroporosité (distribution de la taille des pores et épaisseur des parois) et son évolution en fonction de T ont été étudiées par la microscopie biphotonique donnant des informations à l'échelle du µm à plusieurs dizaines de µm. La diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) a été utilisée pour caractériser la structure multi-échelle (de quelques dixièmes à quelques dizaines de nm) du gel constituant les parois des macropores. Les courbes de diffusion ont été décrites analytiquement. L'évolution des dix paramètres contenus dans l'équation a été étudiée en fonction de T et discutée. Enfin, des expériences utilisant les phonons hyperfréquences générés par la technique des réseaux transitoires avec détection hétérodyne (HD-TG) ont été réalisées. Ces mesures ont permis de déterminer la vitesse de propagation de l'onde ultra-sonore (à 340 MHz), son atténuation, et la constante de diffusion thermique à différentes températures. / "Cryopolymerisation" yields macroporous gels named "cryogels". The method was used to synthesise thermosensitive pNIPA based hydrogels. The critical temperature TC corresponding to the volume phase transition was determined by swelling ratio measurements and DSC. The macroporosity (pore size distribution and wall thickness) and its change with temperature, was investigated by two-photon microscopy yielding information at the micrometer scale (a few tenths to tens of micrometers). X-ray scattering (SAXS and WAXS) was used to characterise the multi-scale structure of the gel forming the pore walls. The scattering curves were described analytically. The variation with temperature of the 10 parameters contained in the equation was investigated and discussed. Finally, heterodyne detected transient grating experiments were performed on a bulk pNIPA gel. These measurements allowed the determination of the speed of the ultrasonic wave (at 340 MHz), its attenuation and the thermal diffusion constant in the gel at different temperatures.

L’avènement de la microscopie biphotonique et des techniques dites de « super-résolution » ont permis d’améliorer les performances de la microscopie de fluorescence et de l’appliquer à l’imagerie intravitale et à l’analyse des tissus biologiques. Ces techniques requièrent néanmoins l’emploi de sondes aux propriétés optiques et biologiques optimisées.Plusieurs séries de colorants cationiques basés sur le motif vinyl-triphénylamine (TP) ont été développés pour le marquage d’ADN. Ces fluorophores rouges ou jaunes dont l’émission de fluorescence est commutée par l’interaction avec l’ADN sont des ligands de petit sillon de l’hélice B et possèdent des sections efficaces d’absorption à deux photons élevées.Les TP marquent l’ADN du noyau des cellules fixées ou en apoptose avec une intensité et un contraste élevés. Elles sont non-cytotoxiques, photostables et sont perméables à la membrane cellulaire. L’optimisation des propriétés a permis d’obtenir la TP-2Bzim, qui possède une brillance biphotonique parmi les plus élevées rapportées dans la littérature pour des molécules de faible poids moléculaire (383 GM) et permet une détection en microscopie biphotonique à basse concentration et à faible puissance d’excitation. En cellules vivantes, les TP sont localisées dans les mitochondries mais, sous excitation mono- ou bi-photonique constante, elles déclenchent l’apoptose de la cellule et se relocalisent dans le noyau. Le phénomène peut être imagé par fluorescence, et les TP pourraient donc être employées comme photosensibilisateurs théranostiques.Enfin, une stratégie de synthèse pour fonctionnaliser la TP-2Bzim a été développée. Elle a ainsi pu être couplée à des oligonucléotides et à un PNA pour la détection d’hybridation par fluorescence et à l’acide folique et à la spermidine pour le ciblage de cellules cancéreuses. / Significant advances were made in the field of in vivo fluorescence imaging thanks to the recent development of biphotonic microscopy and super-resolution techniques, rendering intravital imaging and biological tissues analysis possible. Those techniques however require the use of new probes with optimized optical and biological properties.Several series of cationic dyes for DNA staining were developed based on the vinyl-triphenylamine (TP) scaffold. Those new switchable yellow or red fluorophores bind in the minor-groove of DNA and display high two-photon absorption cross-sections. Two anionic derivatives were also designed for staining HSA.In fixed or apoptotic cells, the cationic dyes stain nuclear DNA with a high brightness and contrast. They are non-cytotoxic, photostable and cell permeant. The molecule with the most optimized properties, TP-2Bzim, has one of the highest two-photon brightness to date (383 GM in DNA), allowing sensible detection in biphotonic microscopy at low concentration and excitation power. In live cells, the dyes are localized in the mitochondria, but it appears that upon constant mono- or bi-photonic excitation they trigger cell apoptosis within a few minutes and are released in the nucleus. Since the phenomenon can be imaged by fluorescence microscopy, the TP dyes could thus be used as photosensitizers for theranostics.A synthetic pathway was also developed to functionalize the TP-2Bzim. It was then coupled by “click-chemistry” to short oligonucleotides or PNA sequences for fluorescence in situ hybridization, and to folic acid and spermidine for cancer cells targeting.

La "cryopolymérisation" permet d'obtenir des gels de polymère macroporeux ou "cryogels". Cette méthode a été utilisée pour la synthèse d'hydrogels thermosensibles à base de pNIPA. La température critique TC correspondant à la transition de volume a été déterminée par des mesures de taux de gonflement et par DSC. La macroporosité (distribution de la taille des pores et épaisseur des parois) et son évolution en fonction de T ont été étudiées par la microscopie biphotonique donnant des informations à l'échelle du µm à plusieurs dizaines de µm. La diffusion de rayons X (SAXS et WAXS) a été utilisée pour caractériser la structure multi-échelle (de quelques dixièmes à quelques dizaines de nm) du gel constituant les parois des macropores. Les courbes de diffusion ont été décrites analytiquement. L'évolution des dix paramètres contenus dans l'équation a été étudiée en fonction de T et discutée. Enfin, des expériences utilisant les phonons hyperfréquences générés par la technique des réseaux transitoires avec détection hétérodyne (HD-TG) ont été réalisées. Ces mesures ont permis de déterminer la vitesse de propagation de l'onde ultra-sonore (à 340 MHz), son atténuation, et la constante de diffusion thermique à différentes températures.

Le glioblastome (GB) est une tumeur hétérogène, agressive devant laquelle les possibilités thérapeutiques disponibles restent limitées. L’étude de la zone péritumorale macroscopiquement normale (ZMN) des GB est essentielle à la compréhension de ses mécanismes de progression et de récidive. Le premier objectif de ce travail de Thèse a été de comparer les données de transcriptomique et de protéomique issues de l’analyse de la zone tumorale des GB dans le cadre du Projet Gliome Grand Ouest. Le taux de concordance entre les 2 modalités est faible, retrouvant toutefois comme point commun une dysrégulation de la protéine légère des neurofilaments qui pourrait servir de biomarqueur potentiel des GB. Le deuxième objectif de ce travail de Thèse a été la caractérisation de la ZMN des GB. Nous avons mis en évidence que cette zone, dont l’aspect est similaire à première vue à celui du tissu cérébral sain, n’est pas une simple zone de transition entre le GB et le tissu cérébral sain. En effet, la ZMN est une entité spécifique possédant des caractéristiques qui lui sont propres, comme la présence d’un phénotype particulier de cellules tumorales infiltrantes et de cellules stromales et une sur’expression des protéines CRYAB et H3F3A. Ce travail de Thèse a aussi été l’occasion de développer de nouvelles techniques d’imagerie per-opératoire de la ZMN, afin d’évaluer la présence d’un contingent tumoral et ainsi optimiser la qualité de la résection chirurgicale. La caractérisation de cette ZMN nous permet de mieux appréhender son implication dans la tumorogenèse et la présence de caractéristiques spécifiques de cette zone ouvre la porte à la détection de biomarqueurs spécifiques, ainsi qu’au développement de thérapies ciblées. Ce travail de Thèse a été valorisé par 2 publications, 2 articles soumis et un brevet est en cours de dépôt et d’évaluation par un cabinet de brevet. / Glioblastoma (GB) is a heterogeneous andaggressive tumor, before which therapeutic options arelimited. The study of the macroscopically normalperitumoral brain zone (PBZ) of GB is essential tounderstand its mechanisms of progression andrecurrence.The first objective of this thesis work was tocompare the transcriptomic and proteomic data from theGB tumor area obtained through the “Grand Ouest”glioma Project. The concordance rate between the 2modalities is low. However, one of the common featureis the dysregulation of neurofilament light polypeptide,which could serve as a biomarker potential of GB.The second objective of this thesis was thecharacterization of the PBZ. We have shown that thisarea, similar at first glance to that of healthy braintissue, is not a simple transition area between the GBand healthy brain tissue but a specific entity withcharacteristics of its own. For example, the ZMNpresents a particular phenotype of infiltrating GB cellsand stromal cells and a surexpression of CRYAB andH3F3A proteins.This thesis work was also an opportunity todevelop new intraoperative imaging techniques of thePBZ, with the aim to assess the presence of a tumoralinfiltration and optimize the quality of the surgicalresection.The characterization of this PBZ allows us tobetter understand its involvement in tumorigenesis andthe presence of specific characteristics of this areaopens the door for the detection of specific biomarkersand the development of targeted therapies.This thesis work was led to 2 publications, 2articles submitted and a patent being evaluated andredacted by a patent office.

Les astrocytes protoplasmiques de la matière grise corticale sont des cellules gliales dont les prolongements très fins et ramifiés sont en contact avec les éléments neuronaux pré- et post-synaptiques d’une part, et les vaisseaux sanguins d’autre part. Ils expriment plusieurs récepteurs des neurotransmetteurs, entre autres des récepteurs purinergiques dont l'activation facilite l’activité calcique astrocytaire et la libération de gliotransmitters (par exemple, le glutamate, le GABA, l'ATP, et la D sérine) qui régulent l’activité des neurones et des cellules gliales situées au voisinage. L’objectif de ma thèse était d’étudier in situ l’activité calcique des astrocytes et de leurs prolongements en réponse à l’application des agonistes purinergiques. Lors de ma thèse, j’ai tout d'abord testé la possibilité d’induire l’expression spécifique de gènes d’intérêt par les astrocytes corticaux de souris adultes par la technique de recombinaison Cre-LoxP. J’ai comparé les performances d’un virus adeno-associé de type 5 (AAV5) flexé (AAV5.FLEX.EGFP) et d’une souris qui exprime un indicateur calcique (GCaMP3) sous contrôle de la recombinase (souris Rosa-CAG-LSL-GCaMP3). L’injection d’AAV5.FLEX.EGFP dans le cortex d’une souris hGFAPcre n’a pas permis l’expression spécifique d’EGFP. La combinaison des souris exprimant le cre recombinase sous contrôle d’un promoteur sélectif des astrocytes (GLAST-CreERT2 et Cx30-CreERT2) avec le AAV5.FLEX.EGFP ou avec une lignée des souris Rosa-CAG-LSL-GCaMP3 permet l’expression spécifique des gènes d’intérêt (EGFP et GCaMP3) par les astrocytes corticaux. J’ai ensuite analysé l’activité calcique des astrocytes qui expriment GCaMP3. J’ai utilisé la microscopie biphotonique et enregistré l’activité calcique spontanée et évoquée par application d’agonistes purinergiques sur des tranches de cortex somatosensoriel primaire de souris adultes GLAST-CreERT2. L’activité calcique spontanée est complexe, généralement locale et désynchronisée, répartie dans les prolongements et la région somatique. Les régions actives ont été identifiées à partir d’une carte de corrélation temporale calculée en MATLAB, et leurs caractéristiques (amplitude, durée, position, fréquence) mesurées grâce à des routines établies sous IGOR. La fréquence et l’amplitude de l’activité calcique paraissent augmenter lors de l’enregistrement, ce qui suggère une sensibilité significative et une photoactivation des astrocytes, en imagerie biphotonique. La durée des impulsions laser modulerait ce phénomène. En présence d'adénosine (1-100 µM) et d’ATP (100 µM), et de façon marginale en présence d’un agoniste P2X7 non sélectif (BzATP 50-100 µM), une activité calcique synchronisée accrue est visible dans le soma et les prolongements astrocytaires en présence de tétrodotoxine qui bloque les potentiels d'action et minimise l’activité synaptique. Le mécanisme de ces réponses synchronisées reste à étudier. Aucun effet significatif n’a été observé en présence d’un agoniste spécifique P2Y1 (MRS2365 50 uM). Mon travail a permis le développement : i) de modèles murins pour l’adressage sélectif de protéines d’intérêt au niveau des astrocytes protoplasmiques ; ii) d’outils d’analyse des signaux calciques astrocytaires au niveau sub-cellulaire. Il a mis en évidence des limites possibles des protocoles standards d'enregistrement de l’activité calcique des astrocytes en imagerie biphotonique. Il confirme l’importance de l’ATP et de l’adénosine pour la signalisation astrocytaire. / Grey matter protoplasmic astrocytes are compact glial cells with highly branched processes, enwrapping synapses, and one or two endfeet contacting the blood vessels. Several neurotransmitter receptors are expressed by astrocytes, among them purinergic receptors. Upon activation of these receptors, intracellular calcium (Ca2+) transients can be induced, that, in turn, trigger gliotransmitter release (e.g. glutamate, GABA, ATP, D-serine) and participate in astrocyte-to-astrocyte signaling as well as in the communication between astrocytes and neurons or other glia. During my PhD work, I first implemented and validated several approaches for targeting transgene expression specifically to cortical astrocytes and employed them to study purinergic signaling in astrocytes. To achieve astrocyte-specific transgene expression, I used either floxed adeno-associated viral (AAV) vectors or a Cre-dependent mouse line and several mouse lines expressing the Cre recombinase under astrocyte-specific promoters. Intracerebral injections of a Cre-dependent AAV serotype 5 containing the ubiquitous CAG promoter and an enhanced green fluorescent protein (AAV5.CAG.flex.EGFP) in adult mice expressing Cre recombinase under the human glial fibrillary protein (hGFAP) promoter resulted in a non-astrocyte specific expression in the cortex. Combining inducible mouse lines expressing Cre recombinase under the glutamate aspartate transporter (GLAST) promoter with the same AAV vector resulted in a virtually astrocyte-specific expression of the reporter gene. As an alternative approach for astrocyte-specific transgene expression, we used a Cre-dependent mouse line expressing the genetically encoded Ca2+ indicator GCaMP3. Crossing this mouse line with the above described GLAST-CreERT2 mouse line or a Connexin30 (Cx30)-CreERT2 line led to selective GCaMP3 expression in cortical astrocytes. Second, I investigated both spontaneous and agonist-evoked Ca2+ transients in astrocytic processes, the investigation of which has presented a major challenge in earlier studies, due to the unspecific and weak labeling by membrane-permeable chemical Ca2+ indicators. Using the strategy developed in the first part of my work allowing an astrocyte-specific expression of the genetically encoded Ca2+ indicator GCaMP3. Using two-photon excitation fluorescence (2PEF) imaging in acute slices of the primary somatosensory cortex, I recorded Ca2+ transients in the astrocytic soma and processes. By aid of a custom-made MATLAB routine based on a temporal Pearson correlation coefficient, active regions could be identified in an unbiased manner. Evoked Ca2+ transients were quantified using custom IGOR routines. Spontaneous desynchronized Ca2+ transients occurred in the processes and rarely in the soma. Ca2+ signals appeared localized in distinct microdomains. Their frequency appeared to increase during long recordings of several hundred images, suggesting that fine astrocytes are vulnerable to photodamage under imaging conditions routine in 2PEF microscopy. The possibility to minimize photodamage, by varying the length of the femtosecond laser pulses is under investigation. Bath application of adenosine (1-100 µM) and adenosine-triphosphate (ATP, 100 µM), as well as the application of the non-selective P2X7 receptor agonist (2'(3')-O-(4-Benzoylbenzoyl)adenosine-5'-triphosphate, BzATP, 50-100 µM), in the presence of tetrodotoxin to block neuronal action potentials, evoked synchronized Ca2+ rises in the soma and the processes of astrocytes. The effect of adenosine was dose-dependent. No significant effect of the specific P2Y1 agonist (MRS2365, 50 µM) was seen. Altogether, my work sets up a powerful and versatile toolbox for studying astrocytic Ca2+ signaling at the sub-cellular level. It also pinpoints possible limits of standard two-photon recording protocols to investigate the local Ca2+ signals in fine astrocytic processes.

Les astrocytes protoplasmiques de la matière grise corticale sont des cellules gliales dont les prolongements très fins et ramifiés sont en contact avec les éléments neuronaux pré- et post-synaptiques d’une part, et les vaisseaux sanguins d’autre part. Ils expriment plusieurs récepteurs des neurotransmetteurs, entre autres des récepteurs purinergiques dont l'activation facilite l’activité calcique astrocytaire et la libération de gliotransmitters (par exemple, le glutamate, le GABA, l'ATP, et la D sérine) qui régulent l’activité des neurones et des cellules gliales situées au voisinage. L’objectif de ma thèse était d’étudier in situ l’activité calcique des astrocytes et de leurs prolongements en réponse à l’application des agonistes purinergiques. Lors de ma thèse, j’ai tout d'abord testé la possibilité d’induire l’expression spécifique de gènes d’intérêt par les astrocytes corticaux de souris adultes par la technique de recombinaison Cre-LoxP. J’ai comparé les performances d’un virus adeno-associé de type 5 (AAV5) flexé (AAV5.FLEX.EGFP) et d’une souris qui exprime un indicateur calcique (GCaMP3) sous contrôle de la recombinase (souris Rosa-CAG-LSL-GCaMP3). L’injection d’AAV5.FLEX.EGFP dans le cortex d’une souris hGFAPcre n’a pas permis l’expression spécifique d’EGFP. La combinaison des souris exprimant le cre recombinase sous contrôle d’un promoteur sélectif des astrocytes (GLAST-CreERT2 et Cx30-CreERT2) avec le AAV5.FLEX.EGFP ou avec une lignée des souris Rosa-CAG-LSL-GCaMP3 permet l’expression spécifique des gènes d’intérêt (EGFP et GCaMP3) par les astrocytes corticaux. J’ai ensuite analysé l’activité calcique des astrocytes qui expriment GCaMP3. J’ai utilisé la microscopie biphotonique et enregistré l’activité calcique spontanée et évoquée par application d’agonistes purinergiques sur des tranches de cortex somatosensoriel primaire de souris adultes GLAST-CreERT2. L’activité calcique spontanée est complexe, généralement locale et désynchronisée, répartie dans les prolongements et la région somatique. Les régions actives ont été identifiées à partir d’une carte de corrélation temporale calculée en MATLAB, et leurs caractéristiques (amplitude, durée, position, fréquence) mesurées grâce à des routines établies sous IGOR. La fréquence et l’amplitude de l’activité calcique paraissent augmenter lors de l’enregistrement, ce qui suggère une sensibilité significative et une photoactivation des astrocytes, en imagerie biphotonique. La durée des impulsions laser modulerait ce phénomène. En présence d'adénosine (1-100 µM) et d’ATP (100 µM), et de façon marginale en présence d’un agoniste P2X7 non sélectif (BzATP 50-100 µM), une activité calcique synchronisée accrue est visible dans le soma et les prolongements astrocytaires en présence de tétrodotoxine qui bloque les potentiels d'action et minimise l’activité synaptique. Le mécanisme de ces réponses synchronisées reste à étudier. Aucun effet significatif n’a été observé en présence d’un agoniste spécifique P2Y1 (MRS2365 50 uM). Mon travail a permis le développement : i) de modèles murins pour l’adressage sélectif de protéines d’intérêt au niveau des astrocytes protoplasmiques ; ii) d’outils d’analyse des signaux calciques astrocytaires au niveau sub-cellulaire. Il a mis en évidence des limites possibles des protocoles standards d'enregistrement de l’activité calcique des astrocytes en imagerie biphotonique. Il confirme l’importance de l’ATP et de l’adénosine pour la signalisation astrocytaire. / Grey matter protoplasmic astrocytes are compact glial cells with highly branched processes, enwrapping synapses, and one or two endfeet contacting the blood vessels. Several neurotransmitter receptors are expressed by astrocytes, among them purinergic receptors. Upon activation of these receptors, intracellular calcium (Ca2+) transients can be induced, that, in turn, trigger gliotransmitter release (e.g. glutamate, GABA, ATP, D-serine) and participate in astrocyte-to-astrocyte signaling as well as in the communication between astrocytes and neurons or other glia. During my PhD work, I first implemented and validated several approaches for targeting transgene expression specifically to cortical astrocytes and employed them to study purinergic signaling in astrocytes. To achieve astrocyte-specific transgene expression, I used either floxed adeno-associated viral (AAV) vectors or a Cre-dependent mouse line and several mouse lines expressing the Cre recombinase under astrocyte-specific promoters. Intracerebral injections of a Cre-dependent AAV serotype 5 containing the ubiquitous CAG promoter and an enhanced green fluorescent protein (AAV5.CAG.flex.EGFP) in adult mice expressing Cre recombinase under the human glial fibrillary protein (hGFAP) promoter resulted in a non-astrocyte specific expression in the cortex. Combining inducible mouse lines expressing Cre recombinase under the glutamate aspartate transporter (GLAST) promoter with the same AAV vector resulted in a virtually astrocyte-specific expression of the reporter gene. As an alternative approach for astrocyte-specific transgene expression, we used a Cre-dependent mouse line expressing the genetically encoded Ca2+ indicator GCaMP3. Crossing this mouse line with the above described GLAST-CreERT2 mouse line or a Connexin30 (Cx30)-CreERT2 line led to selective GCaMP3 expression in cortical astrocytes. Second, I investigated both spontaneous and agonist-evoked Ca2+ transients in astrocytic processes, the investigation of which has presented a major challenge in earlier studies, due to the unspecific and weak labeling by membrane-permeable chemical Ca2+ indicators. Using the strategy developed in the first part of my work allowing an astrocyte-specific expression of the genetically encoded Ca2+ indicator GCaMP3. Using two-photon excitation fluorescence (2PEF) imaging in acute slices of the primary somatosensory cortex, I recorded Ca2+ transients in the astrocytic soma and processes. By aid of a custom-made MATLAB routine based on a temporal Pearson correlation coefficient, active regions could be identified in an unbiased manner. Evoked Ca2+ transients were quantified using custom IGOR routines. Spontaneous desynchronized Ca2+ transients occurred in the processes and rarely in the soma. Ca2+ signals appeared localized in distinct microdomains. Their frequency appeared to increase during long recordings of several hundred images, suggesting that fine astrocytes are vulnerable to photodamage under imaging conditions routine in 2PEF microscopy. The possibility to minimize photodamage, by varying the length of the femtosecond laser pulses is under investigation. Bath application of adenosine (1-100 µM) and adenosine-triphosphate (ATP, 100 µM), as well as the application of the non-selective P2X7 receptor agonist (2'(3')-O-(4-Benzoylbenzoyl)adenosine-5'-triphosphate, BzATP, 50-100 µM), in the presence of tetrodotoxin to block neuronal action potentials, evoked synchronized Ca2+ rises in the soma and the processes of astrocytes. The effect of adenosine was dose-dependent. No significant effect of the specific P2Y1 agonist (MRS2365, 50 µM) was seen. Altogether, my work sets up a powerful and versatile toolbox for studying astrocytic Ca2+ signaling at the sub-cellular level. It also pinpoints possible limits of standard two-photon recording protocols to investigate the local Ca2+ signals in fine astrocytic processes.