Thèse de doctorat : Génie des procédés et des produits : INPL : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

La connectomique est un des plus grands défis dans la compréhension et le diagnostic des maladies du cerveau. En effet, les mauvaises connexions et le mauvais fonctionnement des circuits du cerveau sont à l'origine de nombreuses maladies neurologiques. Ceci peut être causé par des défauts génétiques, un dérèglement en cours de développement ou à une dégénérescence à un stade ultérieur de la vie. Pour étudier les changements morphologiques à la base des maladies mentales et neurologiques, les technologies d'imagerie actuelles sont limitées. Du fait de la difficulté à acheminer la lumière à l'intérieur de grands volumes de tissus, les études se font bien souvent à partir d'images bidimensionnelles de coupes histologiques et résultent, dans de nombreux cas, à des informations spatiales incomplètes. Dans ce projet, nous avons adopté une stratégie qui permet d'obtenir des images 3D de grands volumes à haute résolution, et ce, sans coupe histologique. D'une part, des techniques de transparisation ont été utilisées afin de minimiser la diffusion de la lumière dans les échantillons de tissus. D'autre part, pour une imagerie plus rapide, nous avons conçu un microscope de fluorescence à feuillet lumineux, à large champ de vue et à haute résolution. Les rayons d'un faisceau laser afocal sont déviés par un axicon pour interagir entre eux et former, dans l'échantillon, une fine aiguille lumineuse qui forme un feuillet lumineux une fois balayée à très grande vitesse dans un plan. Le signal de fluorescence émanant de la section illuminée par le feuillet est collecté selon un axe perpendiculaire par une caméra scientifique CMOS. Cette stratégie a permis de surpasser les systèmes déjà existants en fournissant des images grand volume avec une résolution isotrope de l'ordre du micron. Enfin, ce nouvel outil nous a permis de faire des études précédemment impossibles et aura certainement un impact direct sur l'évaluation post-mortem et l'optimisation de traitements, la découverte de médicaments et l'identification des régions cibles pour les maladies neurodégénératives. / Connectomics is one of the biggest challenges in understanding and diagnosing brain diseases. Indeed, many neurological diseases have their origins in a bad connection or a malfunction of brain circuits. This can be caused by genetic defects, developmental dysfunction or degeneration at a later stage of life. To study the morphological changes underlying mental and neurological diseases, current imaging technologies are limited. In fact, studies are often based on two-dimensional images of histological sections and result, in many cases, in incomplete spatial information. In this project, we adopted a strategy that allows us to obtain 3D images of large volumes at high resolution, without any histological section. On the one hand, optical clearing techniques were used to minimize light scattering in tissue samples. On the other hand, for faster imaging, we have designed a fluorescence light sheet microscope with a large field of view and high resolution. The rays of an afocal laser beam are deflected by an axicon (conical prism) to interact with each other and form, in the sample, a thin needle-shaped beam which, when swept at a very high speed along an axis, forms a light sheet. The fluorescence signal from the section illuminated by the light sheet is collected along a perpendicular axis by a scientific CMOS camera. This strategy has surpassed existing systems by providing large volume images with an isotropic micronic resolution. Finally, this new tool has allowed us to make previously impossible studies and will certainly have a direct impact on postmortem evaluation and treatment optimization, drug discovery and identification of target areas for neurodegenerative diseases.

Titre de l'écran-titre (visionné le 23 novembre 2023) / Les bactéries lactiques sont indispensables pour la production de produits laitiers fermentés comme le fromage. Les espèces bactériennes Lactococcus lactis et Lactococcus cremoris sont les plus utilisées par l'industrie laitière. Cependant, la fermentation peut être ralentie par des bactériophages. Ils se multiplient via un cycle lytique débutant par leur adsorption à la surface cellulaire. Toutefois, l'adsorption ne mène pas toujours à l'infection dû à la présence de mécanismes de défense contre les phages chez certaines souches bactériennes. Ce phénomène est peu étudié puisque les essais classiques d'adsorption virale nécessitent beaucoup de ressources et les résultats obtenus peuvent être variables et ambigus. L'objectif général de ce projet consistait à explorer l'utilisation de la fluorescence pour optimiser les essais d'adsorption virale. Ainsi, cinq phages infectant des lactocoques et appartenant aux trois principaux groupes (Skunavirus, Ceduovirus et P335) isolés dans les usines laitières ont été sélectionnés afin d'adapter les protocoles à une diversité de phages. D'abord, le protocole classique d'adsorption virale a été utilisé pour cinq phages sur leur souche bactérienne hôte et sur une souche insensible, suspectée de bloquer l'adsorption. Un protocole de microscopie à fluorescence a ensuite été mis au point en utilisant le SYBR Gold pour marquer l'ADN viral et le rouge du Nil pour les membranes bactériennes. Cette méthode a permis une analyse qualitative efficace de l'adsorption des cinq phages et qui concordait avec les résultats obtenus par la méthode classique. Finalement, une méthode a été développée pour réaliser des essais d'adsorption en plaque 96 puits, afin de quantifier l'adsorption des phages sur plusieurs souches bactériennes en un seul essai. L'ajout de la fluorescence a aussi été tenté pour faire ces essais d'adsorption à un plus haut débit. Toutefois, la spécificité du fluorophore et la sensibilité du lecteur de plaque ne conviennent pas au contexte des tests d'adsorption. / Lactic acid bacteria are indispensable to produce fermented milk products, such as cheese. The bacterial species Lactococcus lactis and Lactococcus cremoris are the most used by the dairy industry. However, the fermentation process may be slowdown by the presence of lytic bacteriophages. These phages replicate through the lytic cycle that begins with their adsorption to the cell surface. However, phage adsorption does not always lead to a successful infection, due to the presence of phage defense mechanisms in some bacterial strains. This phenomenon is not often studied because classical phage adsorption assays need a lot of resources, and the results obtained are often variable and ambiguous. The general objective of this project was to explore the use of fluorescence to optimize viral adsorption assays. To do this, five lactococcal phages belonging to the three main groups (Skunavirus, Ceduovirus, and P335) isolated in cheese plants were selected to adapt the protocols to a diversity of phages. First, classical phage adsorption assays were performed with five of these phages on their host strain and on insensitive strains, suspected to block phage adsorption. A fluorescence microscopy protocol was then developed using SYBR Gold as a marker for viral DNA as well as Nile red for bacterial cell membranes. This method allowed a qualitative analysis of the adsorption of five phages on the different bacterial strains, and the results were in accordance with the ones obtained with the classical assays. Finally, a 96-well plate method was developed to quantify phage adsorption on multiple bacterial strains in a single assay. The addition of fluorescence has also been attempted to perform these phage adsorption assays at a higher throughput. However, the specificity of the fluorophore and the sensitivity of the plate reader were not suited to the context of phage adsorption tests.

Pendant plusieurs années, la microscopie à fluorescence a été limitée par le phénomène de diffraction. Or, pour étudier des phénomènes dynamiques à l’intérieur des cellules, une résolution nanométrique est souvent nécessaire. Pour ce faire, une avancée importante pour la microscopie super-résolution fut l’invention du microscope à déplétion par émission stimulée(STED pour STimulated-Emission-Depletion) (Hell and Wichmann, 1994). Si la microscopieSTED permet d’atteindre la précision nanométrique, celle-ci consiste en une technique extrêmement sophistiquée et son utilisation requiert des connaissances avancées dans plusieurs domaines, par exemple, la physique, la chimie et la biologie. Dans le but de rendre le microscope plus accessible, Durand et al. (2018) tire profit des dernières avancées en intelligence artificielle pour automatiser le paramétrage du STED à l’aide d’une boucle d’optimisation. L’objectif visé est de produire des images avec la plus haute qualité tout en minimisant le photo blanchiment et le temps d’exposition. L’incapacité de mesurer la qualité des images et de choisir un compromis parmi les objectifs nécessite malheureusement toujours la présence d’un expert derrière le microscope. En automatisant l’évaluation de la qualité des images et la sélection de compromis, ce mémoire vise à montrer le potentiel des réseaux de neurones pour l’apprentissage de la préférence en sciences de la vie. / For many years, fluorescent microscopy has been limited by diffraction. However, to study dynamic phenomena inside cells, a nanometric resolution is often necessary. To cope with this problem, an important development for fluorescent microscopy was the invention ofSTimulated-Emission-Depletion microscopy (STED) (Hell and Wichmann, 1994). If STEDachieves nanometric microscopy, it is also an extremely sophisticated technique that requires advanced knowledge across a wide range of domains, e.g. physics, chemistry and biology. With the goal of democratising the microscope, Durand et al. (2018) use the last development in artificial intelligence to automate STED parameterization with an optimisation loop. The objective aimed is to produce high-quality images while minimising photo bleaching and exposition time. The inability of measuring image quality and of choosing between compromise among objectives still forces an expert to stay behind the microscope. By automating the assessment of image quality and the selection of compromise, this master thesis intends to demonstrate the potential of neural networks for preference learning in life science.

Le suivi des interactions entre protéines, localisées à la membrane plasmique ou à l'intérieur de cellules, a été réalisé au cours de cette thèse par imagerie de fluorescence et par l'analyse de processus dits de FRET (Forster Resonance Energy Transfer). Pour quantifier le FRET entre nos protéines d'intérêt, nous avons choisi le contraste de durée de vie de fluorescence car cette méthode est indépendante de la concentration et de l'intensité de fluorescence. Afin d'obtenir une résolution suffisante pour des problématiques neurobiologiques, un microscope TIRFLIM (Total Internal Reflection Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) avait préalablement été développé. Celui-ci nous permet de faire de l'imagerie en plein champ avec une résolution axiale sub-longueur d'onde. Ce dispositif a été calibré et optimisé au cours de cette thèse pour répondre au mieux à des problématiques biologiques. Différentes approches ont ainsi été testées dans le but de calibrer la profondeur de pénétration de l'onde évanescente. Des surfaces plasmoniques ont entre autres été utilisées pour augmenter la sélectivité axiale du montage. Notre microscope a été dédié à l'étude de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre la protéine précurseur de l'amyloïde APP, protéine transmembranaire impliquée dans la maladie d'Alzheimer et une de ses enzymes de clivage BACE1. Nous avons ainsi effectué un suivi dynamique de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre APP et BACE1 dans des cellules HEK-293 et dans des cultures primaires de neurones d'hippocampe d'embryons de rat, de la membrane plasmique à l'intérieur des cellules grâce à notre dispositif TIRFLIM. La mesure d'anisotropie de fluorescence résolue en temps a également été implémentée sur notre montage. Ces mesures résolues en temps et en polarisation ont permis de mesurer le temps de corrélation rotationnelle de fluorophores et de mettre en évidence de manière qualitative différents niveaux d'homodimérisation de protéines impliquées dans la maladie d'Alzheimer.

Thèse de doctorat : Physique : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 129-134.

Pour bien comprendre et contrôler les aérosols contenant des virus (viroaérosol), un modèle de laboratoire approprié est requis. Pour cette étude, trois bactériophages : P008 couplé au SYBR Gold, PP01 exprimant la GFP et ʎ exprimant la EYFP ont été comparés entre eux et à des microsphères fluorescentes non-biologiques pour leur potentiel en tant que modèle de laboratoire en aérovirologie. Les modèles viraux ont été aérosolisés à partir d’un tampon de phage en utilisant un nébuliseur de TSI (modèle 9301) connecté à une chambre d’aérosols. La taille aérodynamique des aérosols ainsi que leur distribution ont été déterminées à l’aide d’un spectromètre de particules aérodynamique (APS, TSI modèle 3321). Les échantillons de viroaérosols ont été capturés à l’aide d’un impacteur Andersen à six étages contenant soit du tampon de phage à l’intérieur des plaques de chaque étage ou un milieu solide (agar à 1.5%). Les techniques des plages de lyse, du qPCR et la microscopie à fluorescence ont été utilisées pour quantifier les virus récupérés sur les étages de l’impacteur. La microscopie à fluorescence a aussi été utilisée pour quantifier et analyser les modèles viraux sur des particules seules et sur milieu solide. L’ADN viral, des plages de lyse ainsi que des particules fluorescentes ont été observées sur les étages 3 à 6 de l’échantillonneur ce qui corrélait avec les données obtenues par l’APS. La microscopie à fluorescence a permis de visualiser les modèles viraux sur ou à l’intérieur des particules d’aérosols. Ces résultats confirment que les virus peuvent être présents dans l’atmosphère sous forme d’aérosol dont la dimension est bien plus grande que celle de leur propre taille, et que les virus en aérosol peuvent être quantifiés et observés en utilisant la microscopie à fluorescence. L’ensemble de ces résultats suggèrent qu’un bactériophage fluorescent serait un excellent modèle de laboratoire pour étudier le comportement des virus dans l’air. / In order to understand and control virus aerosols (viroaerosols), an appropriate laboratory model is required. In this study, fluorescent bacteriophages P008 coupled to SYBR Gold, PP01 expressing GFP and ʎ expressing EYFP were compared to non-biological fluorescent microspheres for their potential as viral models in aerovirology. The test viruses were aerosolized in phage buffer using TSI’s 9301 model atomizer attached to a commercially available aerosol chamber. The aerodynamic particle size distribution of the viroaerosols was determined with an aerodynamic particle sizer (APS, TSI’s 3321 model). Samples were collected with a Sixstage Andersen impactor loaded with Petri dishes containing either phage buffer or a solid 1.5% agar medium. Plaque assays, qPCR and fluorescence microscopy were used to quantify the virus load on each stage of the impactor. Fluorescence microscopy was also used to quantify and analyze single aerosol particles in liquid or solid media. Viral DNA, infectious particles and fluorescent particles were detected on stages 3 to 6 of the sampler and correlated with the aerodynamic particle distribution. Fluorescence microscopy permitted visualization of viruses on or encapsulated inside aerosol particles and on a solid medium. These results confirm that viruses may be present in the atmosphere as aerosols, which are much larger than their own particle size, and that viruses could be visualized and quantified in aerosols using fluorescence microscopy. These findings suggest that a fluorescence-expressing bacteriophage would be an excellent laboratory model for the study of viruses in aerosols.

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Depuis plusieurs années, il y a un intérêt croissant pour l'utilisation de l'apprentissage automatique afin d'automatiser différentes tâches d'analyse quantitative d'images en biophotonique. Cependant, les images de microscopie à fluorescence présentent des défis particuliers qui complexifient l'application d'approches d'apprentissage automatique. Notamment, l'acquisition de ces images est coûteuse, leur annotation est complexe, fastidieuse et souvent bruitée, et il peut être difficile de déterminer quel type d'analyse permettra de répondre à la question biologique d'intérêt. Il est donc nécessaire de développer des approches permettant la génération de jeux de données adaptés aux différents défis propres au domaine de l'imagerie en biophotonique. Mon projet consiste à explorer des pistes aidant à considérer les problèmes propres aux données en biophotonique afin de faciliter l'application de l'apprentissage automatique à l'analyse d'images de microscopie. Afin de limiter le temps d'annotation requis lors de la génération d'un jeu de données, une approche d'apprentissage actif considérant le coût d'annotation est développée et évaluée sur un jeu de données simple. Ensuite, un jeu de données d'images de jonction serrée intestinale est généré avec des annotations adaptées, puis analysé à l'aide d'approches d'apprentissage non supervisé. Finalement, un riche jeu de données annoté d'images de super-résolution de protéines synaptiques est construit à l'aide d'un projet de science citoyenne, permettant de prendre en compte la distribution du bruit dans les annotations. Les résultats obtenus témoignent de l'importance d'un jeu de données bien conçu lors de l'application d'approches d'apprentissage actif à l'analyse de données d'imagerie en biophotonique. Notamment, l'inclusion d'experts dans le processus de conception du jeu de données est essentielle à l'acquisition d'annotations significatives permettant de répondre à des questions biologiques. / For several years, there has been growing interest in using machine learning to automate various quantitative image analysis tasks in biophotonics. However, fluorescence microscopy images present particular challenges that complicate the application of machine learning ap-proaches. Notably, the acquisition of these images is costly, their annotation is complex, tedious and often noisy, and it can be difficult to determine which type of analysis will answer the biological question of interest. It is therefore necessary to develop approaches that allow the generation of datasets adapted to the various challenges specific to the field of biophotonics imaging. My project consists in exploring ways to consider the challenges specific to biophotonics datain order to facilitate the application of machine learning to the quantitative analysis of mi-croscopy images. In order to limit the annotation time required when generating a dataset,an active learning approach considering the annotation cost is developed and evaluated on asimple dataset. Then, a dataset of intestinal tight junction images is generated with adapted annotations and analyzed using unsupervised learning approaches. Finally, a rich annotated dataset of super-resolution images of synaptic proteins is constructed using a citizen science crowdsourcing project, allowing a measure of the distribution of noise in the annotations.The results obtained demonstrate the importance of a well-designed dataset when applying active learning approaches to the analysis of imaging data in biophotonics. In particular, the inclusion of experts in the dataset design process is essential for the acquisition of meaningful annotations to answer biological questions.

La microscopie de fluorescence est devenue un outil incontournable en biologie. En particulier, il est possible de suivre dans le temps et dans l’espace en cellules vivantes l’activité de protéines en utilisant des biosenseurs FRET génétiquement encodés. Mon travail de thèse a consisté à développer de nouvelles méthodes de microscopie de fluorescence quantitative pour dépasser les limitations rencontrées dans le suivi de biosenseurs FRET. En premier lieu, j’ai eu à développer une méthodologie pour le suivi de deux biosenseurs FRET génétiquement encodés par mesure de durée de vie (FLIM) en simultané avec une seule longueur d’onde d’excitation. En effet, il n’est pas facile de suivre deux activités biochimiques par biosenseurs FRET dans un même échantillon vivant par microscopie de fluorescence à cause de l’existence de fuites spectrales dans les canaux de détection des différentes protéines fluorescentes et l’utilisation de deux longueurs d’onde d’excitation pour chacun des deux donneurs. En combinant les deux couples de protéines fluorescentes mTFP1/ShadowG et LSSmOrange/mKate2, les artefacts de fuite spectrale ont pu être négligés. Il a été possible de suivre les activités kinases des protéines ERK et PKA en simultané par FLIM. À l’aide de cette méthodologie, nous avons pu mettre en évidence une activation de la voie PKA lors d’une stimulation à l’EGF. En second lieu, j’ai développé une méthode pour le suivi de biosenseur FRET par la technique de spectroscopie à corrélation croisée de fluorescence (FCCS). Le suivi d’activité de certaines protéines peut s’avérer difficile du fait de leur faible expression au sein de l’échantillon vivant et de leur localisation. La méthode de FCCS nécessite une faible concentration de fluorophores et peut donc s’adapter à ces échantillons. Le FRET a un effet direct sur l’amplitude de corrélation croisée lorsque celle-ci est mesurée en suivant la co-diffusion de deux protéines fluorescentes attachées à un même biosenseur. Une diminution de ratio d’amplitude des courbes d’autocorrélation (verte ou rouge) sur l’amplitude de la courbe de corrélation croisée correspond à la présence de FRET. Nous avons pu mesurer cette diminution dans des cellules exprimant le biosenseur FRET Aurora A WT (FRET) en comparaison avec un mutant K162M (non FRET). Ces premiers résultats sont très prometteurs pour l’utilisation de cette approche au suivi d’un biosenseur faiblement exprimé en cellules vivantes. L’amélioration du suivi de biosenseur FRET, par les méthodes de microscopie de fluorescence quantitative présentées dans ce travail, doit pouvoir permettre la réponse à des questions d’intérêt biologiques nécessitant le suivi multiplex de FRET ou la mesure de biosenseurs à faible niveau d’expression, là où les techniques conventionnelles se heurtaient à leur limitation. / Fluorescence microscopy has become an invaluable tool in biology. In particular, it allows to follow in time and space the activity of proteins, using genetically encoded FRET biosensors, in live cell imaging. In my thesis work, I have developed new quantitative fluorescence microscopy methods to overcome the limitations encountered in monitoring FRET biosensors. First, I developed a methodology to monitor simultaneously two genetically encoded FRET biosensors by lifetime measures (FLIM) with a single excitation wavelength. Previously, it was not easy to follow two biochemical activities by FRET biosensors in the same live sample by fluorescence microscopy. Two reasons for that: the existence of spectral bleed through in the detection channel of each fluorescent proteins and the use of two excitation wavelengths for the two donors. By combining two fluorescent proteins pairs: mTFP1 / ShadowG and LSSmOrange / mKate2, the “spectral bleed through” artifact became negligible. It became then possible to follow the kinase activity of PKA and ERK proteins simultaneously by FLIM. Using this methodology, we were able to show an activation of the PKA pathway upon stimulation with EGF. Second, I developed a method to monitor FRET biosensor by fluorescence cross-correlation spectroscopy technique (FCCS). Monitoring the activity of certain proteins may be difficult due to their low expression in living sample and their sub-cellular localization. The FCCS methods requires a low concentration of fluorophores and can therefore be adapted to these samples. FRET has a direct effect on the cross-correlation amplitude when it is measured by following the co-diffusion of two fluorescent proteins attached to a same biosensor. An amplitude ratio decrease, of the autocorrelation curves (green or red) on the amplitude of the cross-correlation curve, corresponds to the presence of FRET. We were able to measure this ratio decreases in cells expressing the FRET biosensor Aurora A wild type (FRET) compared to the K162M mutant one (non-FRET). These first results are very promising to monitor the activity of a weakly expressed protein in living cells biosensor using this approach. The improvement of FRET biosensor monitoring, by quantitative fluorescence microscopy methods presented in this work, will help to answer biological questions of interest requiring the measurement of multiplex FRET monitoring or biosensors at low level expression, where conventional techniques are facing these limitations

Le cortex de la plupart des protistes ciliés contient un squelette membranaire dont le principal élément est l'épiplasme, une structure apposée à la membrane alvéolaire interne. Chez la paramécie, l'épiplasme se présente sous forme d'écailles indépendantes disposées autour de chaque appareil ciliaire ; il est composé d'une famille multigénique de protéines appelées épiplasmines. Nous avons réalisé une étude structurale de cette famille multigénique. L'analyse phylogénétique a permis de confirmer l'existence de 5 groupes d'épiplasmines divisé chacun en deux sous-groupes a et b. L'utilisation de la méthodologie HCA nous a permis de montrer que ces protéines sont modulaires et présentent un arrangement de leurs domaines structuraux. Elles peuvent ainsi être regroupées en trois classes symétriques, asymétriques et atypiques. L'analyse des régions 5'UTR des membres de cette famille multigénique montre la présence d'éléments putatifs de régulation d'expression. La comparaison des épiplasmines de la paramécie avec leurs orthologues de Tetrahymena montre une relation structurale entre les groupes 1,2,3 et 5 et les EpiT 1,2,3, et 5 respectivement suggérant l'existence d'un ancêtre commun pour l'épiplasme de Paramecium et Tetrahymena. Nous avons réalisé l'analyse fonctionnelle des épiplasmines à partir d'approche par ARN interférence et par localisation couplée à la GFP. La perturbation de l'expression des épiplasmines symétriques et asymétriques, aboutit à une réponse cellulaire commune qui se traduit par un changement de la forme cellulaire, un blocage de la cytocinèse et enfin l'apparition de formes plasmodiales. L'analyse du cortex par microscopie à fluorescence montre une altération des unités corticales qui est fonction des types structuraux des épiplasmines. Les épiplasmines se localisent de manière différentielle autour du corps basal définissant un territoire dont le modèle d'organisation est centrifuge. On définit alors des épiplasmines cinétomosales, péricinétomosales, core et enfin périphériques. Ce modèle est discuté en relation avec les phénotypes obtenus par l'analyse fonctionnelle. Il permet d'intégrer les différents niveaux de relation entre le corps basal, son territoire et l'ensemble de l'épiplasme.