Dans cette thèse, nous nous intéressons à la restauration d'image tridimensionnelle de microscopie de fluorescence. Deux difficultés majeures dans ce système d'imagerie sont traitées. La première est le flou variable en profondeur qui est dû aux aberrations induites par la variation des indices de réfraction dans le système optique et le spécimen imagé. La deuxième est le bruit qui est principalement dû au processus de comptage de photons. L'objectif de cette thèse est de réduire ces distorsions afin de fournir aux biologistes une image de meilleure qualité possible. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions les modèles d'approximation du flou variable en profondeur et nous choisissons un modèle adéquat au problème d'inversion. Dans ce modèle, la réponse impulsionnelle (RI) variable en profondeur est approchée par une combinaison convexe d'un ensemble de RIs invariables spatialement. Nous développons pour ce modèle deux méthodes rapides de restauration non-aveugle par minimisation d'un critère régularisé, chacune d'elles est adaptée au type de bruit présent dans les images de microscopie confocale ou à champ large. Dans la deuxième partie, nous abordons le problème de restauration aveugle et proposons deux méthodes dans lesquelles le flou variable en profondeur et l'image sont conjointement estimés. Dans la première méthode, la RI est estimée en chaque voxel du volume considéré afin de laisser une grande liberté sur la forme de la RI, tandis que dans la deuxième méthode, la forme de la RI est contrainte par une fonction gaussienne afin de réduire le nombre de variables inconnues et l'espace des solutions possibles. Dans ces deux méthodes d'estimation aveugle, l'effet des aberrations optiques n'est pas efficacement estimé en raison du manque d'information. Nous améliorons ces méthodes d'estimation en alternant des contraintes dans les domaines fréquentiel et spatial. Des résultats sont montrés en simulation et sur des données réelles.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Instrumentation et analyse avancée : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3950. Résumés en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 175-179. Liste des publications.

La majorité des études sur la dynamique des facteurs de transcription en cellules vivantes s'accordent sur une dynamique rapide. Il existe cependant quelques exceptions, comme la dynamique du facteur de transcription HSF " Heat Shock Factor ", sur les chromosomes polyténiques de drosophile. Notre projet a consisté à étudier la dynamique d'HSF1 dans des cellules humaines. L'exposition des cellules à un stress tel qu'un choc thermique induit une réponse ubiquitaire et transitoire, dont la fonction est de protéger les cellules contre les effets délétères du stress. Au cours d'un choc thermique, plusieurs phénomènes se produisent : i) un arrêt global de la transcription excepté pour certains gènes tels que ceux codant pour les protéines de choc thermique (HSPs), dont l'expression est sous le contrôle du facteur de transcription HSF1. ii) une activation d'HSF1 qui se relocalise de façon rapide et transitoire sur les corps nucléaires de stress (nSBs), où il induit la transcription des séquences satellite III. Les nSBs forment un site d'activité naturellement amplifié et visible en microscopie. Nous avons utilisé deux techniques complémentaires pour étudier la dynamique d'HSF1 en cellules vivantes : le recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) et la spectroscopie à corrélation de fluorescence multi-confocale (mFCS), qui permet l'analyse FCS en plusieurs points simultanément. En cellules HeLa, la protéine HSF1-eGFP présente une dynamique rapide qui est significativement ralentie suite à un choc thermique. En mFCS, nous avons obtenu des constantes de diffusion de 14 µm²/s avant choc thermique et de 10 µm²/s après choc thermique. En FRAP, le temps de demi-recouvrement est de 0,2 s avant choc thermique, 2,6 s après choc thermique dans le nucléoplasme et 65 s sur les corps nucléaires de stress. Le ralentissement de la dynamique d'HSF1 s'explique par deux phénomènes : i) la formation de complexes de haut poids moléculaire, ii) une augmentation des interactions avec la chromatine. Pour mieux caractériser le changement de dynamique d'HSF1 après choc thermique, plusieurs mutants ont été analysés. Le domaine de trimérisation est indispensable pour le changement de dynamique après choc thermique, alors que le domaine de liaison à l'ADN et le domaine de transactivation n'ont que peu d'effet sur le changement de dynamique. Il ne peut donc pas être expliqué uniquement par les interactions directes à la chromatine du domaine de liaison à l'ADN, ni même par les liaisons indirectes du domaine de transactivation via d'autres protéines. La protéine HSF1 pourrait interagir de façon aspécifique avec la chromatine lors de la recherche de site de liaison, ou d'autres protéines via d'autres domaines pourraient entrainer des interactions indirectes avec la chromatine.

La majorité des études sur la dynamique des facteurs de transcription en cellules vivantes s'accordent sur une dynamique rapide. Il existe cependant quelques exceptions, comme la dynamique du facteur de transcription HSF « Heat Shock Factor », sur les chromosomes polyténiques de drosophile. Notre projet a consisté à étudier la dynamique d'HSF1 dans des cellules humaines. L'exposition des cellules à un stress tel qu'un choc thermique induit une réponse ubiquitaire et transitoire, dont la fonction est de protéger les cellules contre les effets délétères du stress. Au cours d'un choc thermique, plusieurs phénomènes se produisent : i) un arrêt global de la transcription excepté pour certains gènes tels que ceux codant pour les protéines de choc thermique (HSPs), dont l'expression est sous le contrôle du facteur de transcription HSF1. ii) une activation d'HSF1 qui se relocalise de façon rapide et transitoire sur les corps nucléaires de stress (nSBs), où il induit la transcription des séquences satellite III. Les nSBs forment un site d'activité naturellement amplifié et visible en microscopie. Nous avons utilisé deux techniques complémentaires pour étudier la dynamique d'HSF1 en cellules vivantes : le recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) et la spectroscopie à corrélation de fluorescence multi-confocale (mFCS), qui permet l'analyse FCS en plusieurs points simultanément. En cellules HeLa, la protéine HSF1-eGFP présente une dynamique rapide qui est significativement ralentie suite à un choc thermique. En mFCS, nous avons obtenu des constantes de diffusion de 14 µm²/s avant choc thermique et de 10 µm²/s après choc thermique. En FRAP, le temps de demi-recouvrement est de 0,2 s avant choc thermique, 2,6 s après choc thermique dans le nucléoplasme et 65 s sur les corps nucléaires de stress. Le ralentissement de la dynamique d'HSF1 s'explique par deux phénomènes : i) la formation de complexes de haut poids moléculaire, ii) une augmentation des interactions avec la chromatine. Pour mieux caractériser le changement de dynamique d'HSF1 après choc thermique, plusieurs mutants ont été analysés. Le domaine de trimérisation est indispensable pour le changement de dynamique après choc thermique, alors que le domaine de liaison à l'ADN et le domaine de transactivation n'ont que peu d'effet sur le changement de dynamique. Il ne peut donc pas être expliqué uniquement par les interactions directes à la chromatine du domaine de liaison à l'ADN, ni même par les liaisons indirectes du domaine de transactivation via d'autres protéines. La protéine HSF1 pourrait interagir de façon aspécifique avec la chromatine lors de la recherche de site de liaison, ou d'autres protéines via d'autres domaines pourraient entrainer des interactions indirectes avec la chromatine. / The majority of studies made on transcription factors dynamics on living cells agree with a fast dynamics process. However, there is some exceptions such as the dynamics of the transcription factor HSF “Heat Shock Factor” on drosophila polytenic chromosome. My project is to study HSF1 dynamics in human living cells. Cells exposure to a stress such as heat shock induces a transient and ubiquitous response that function's to protect cells against the deleterious effect of stress. During the course of a heat shock, several phenomenons take place: i) a global arrest of transcription, with the exception of some genes, such as those coding for the heat shock proteins (hsp), which expression is under the control of HSF1. ii) Activation of HSF1 that relocalize in a fast and transient way to nuclear stress bodies (nSBs), where it induces satellite III transcription. nSBs act as a natural amplification gene array, visible on microscopy. We have used two complementary techniques to look at HSF1 dynamics in living cells: Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and multiconfocal fluorescence correlation spectroscopy (mFCS) that allow FCS analysis at several position simultaneously. On HeLa cells, HSF1-eGFP protein has a fast dynamics which is significantly slowed down following heat shock. On mFCS, we obtained a diffusion constant of 14 µm²/s before heat shock, and 10 µm²/s after heat shock. On FRAP, the half recovery time is 0.2 s before heat shock, 2.6 s after heat shock in the nucleoplasm and 65 s in nuclear stress bodies. HSF1 dynamics slowing down may be explain by two phenomenons: i) formation of high molecular mass complexes, ii) rise of interaction of HSF1 with chromatin. To better characterize changes in HSF1 dynamics after heat shock, several mutants have been analyzed. The trimerization domain of HSF1 is essential for dynamics changes after heat shock, while DNA binding domain (DBD) and transactivation domain (TAD) have only little effects on dynamics changes. These changes cannot only be explained by direct interaction of DNA binding domain with chromatin, neither by indirect interaction of the transactivation domain with other protein partners. HSF1 could be able to interact non-specifically with chromatin during the search for specific binding sites. Also other proteins via other domains might induce indirect binding to chromatin.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études portant sur la toxicité des nanoparticules (NPs). Leurs propriétés physico-chimiques confèrent aux NPs la capacité de pénétrer dans les cellules en traversant la membrane plasmique. La compréhension de l’interaction NPs-membrane est donc cruciale. La structure complexe des membranes nous a imposé d’étudier l’interaction NPs-membrane à l’aide de films lipidiques plans (monocouches et bicouches) utilisés comme modèles membranaires simplifiés, déposés sur des surfaces nanostructurées par le dépôt préalable de NPs de silice (4 à 100 nm de diamètre) ou transférés à partir de monocouches étalées sur une suspension de NPs. Deux méthodes complémentaires ont été utilisées, la microscopie de force atomique (AFM) et la microscopie de fluorescence. Après une première phase d’optimisation des protocoles expérimentaux (choix des lipides, conditions de préparation des surfaces nanostructurées et des films), l’AFM a d’abord révélé l’oxydation des films monocouches constitués de lipides insaturés, se traduisant par la formation de domaines surélevés par rapport à la phase lipidique intacte. Dans le cas des films de lipides présentant une transition de phase de type liquide expansé/liquide condensé, la présence des NPs (le plus souvent sous forme d’agrégats) semble favoriser la transition vers la phase condensée, les NPs étant situés soit au coeur soit en lisière des domaines condensés.Dans le cas des bicouches, l’étude par AFM en milieu liquide montre des comportements tribologiques différents des agrégats de NPs, suggérant deux organisations possibles de la bicouche lipidique, recouvrant les NPs ou formant des pores autour d’elles. / The subject of this thesis fits into the large field of the toxicity of nanoparticles (NPs). Thanks to their physico-chemical properties, NPs are able to enter cells through the plasma membrane. Understanding the NPs-membrane interaction is thus very important. Membranes being complex structures, we chose to study this interaction using planar lipid films (monolayers and bilayers) as simplified membrane models, either deposited on nanostructured surfaces prepared by the prior deposition of silica NPs or transferred from monolayers spread on a subphase containing NPs (4-100 nm in diameter). Two complementary methods were used, atomic force microscopy (AFM) and fluorescence microscopy.After a first part devoted to the optimization of the experimental procedure (choice of lipids, design of nanostructured surfaces and films), AFM first revealed the oxidation of transferred monolayers made of unsaturated lipids, leading to the formation of domains raised above the intact lipid phase. In the case of films made of lipids characterized by a liquid expanded/liquid condensed phase transition, the presence of NPs (usually organized in aggregates) seems to favor the transition to the condensed phase, NPs being either embedded in condensed domains or at their edges.The final phase of this work was devoted to the study of NPs / bilayer interaction by AFM in liquid medium. The study shows different tribological behavior of NPs aggregates, suggesting two possible organizations of the lipid bilayer, covering the NPs or forming holes around them.

En biologie développementale, l'étude d'organismes modèles vise à comprendreles mécanismes génétiques responsables de la morphogenèse chez le vivant. Lamicroscopie confocale à fluorescence permet aujourd'hui d'observer in vivo àl'échelle de la cellule et avec une haute fréquence temporelle le développementd'organismes. Les séquences d'images 3D+t ainsi obtenues nécessitent d'avoirdes outils de traitement d'images adaptés.Dans cette thèse, nous construisons des outils dédiés à l'étude dudéveloppement de deux organismes, l'embryon de l'ascidie Phallusiamammillata et le bouton floral d'Arabidopsis thaliana.Nous développons d'abord une méthode de comparaison de segmentationsadaptée aux images de tissus épithéliaux d'organismes en développement.Nous nous appuyons sur cet outil pour valider notre seconde contribution quiporte sur la mise en place d'un outil de détection et de reconstruction demembranes cellulaires conçu afin de procéder à la segmentation de cellulesdans les images d'ascidies et d'arabidopsis.Nous utilisons ensuite l'outil de segmentation de membranes précédemmentintroduit pour construire une stratégie de recalage spatial inter-individusappliquée aux embryons d'ascidies. Enfin, nous élaborons une stratégie derecalage spatio-temporel inter-individus appliquée à des séquences d'images 3Dde méristèmes floraux / In developmental biology, the study of model organisms aims for theunderstanding of genetic mechanisms responsible of morphogenesis. Today,fluorescent confocal microscopy is a means for in vivo imaging of developingorganisms at cell level with a high spatio-temporal resolution. To handle such3D+t image sequences, adapted computer-assisted methods are highlydesirable.In this thesis, we build dedicated tools for the study of two developingorganisms, the ascidian Phallusia mammillata's embryo and the Arabidopsisthaliana's floral meristem.We first develop a method for segmentation comparison adapted to developingorganism epithelial tissue images. This tool is then used to validate our secondcontribution that is about the development of a cell membranes detection andreconstruction tool for cell shape segmentation process applied to ascidian andarabidopsis images.We then use the previously introduced membrane detection tool to build aninter-individual spatial registration strategy applied to ascidian embryo images.Finally, we develop an inter-individual spatio-temporal registration strategyapplied to 3D image sequences of arabidopsis floral meristems

Ce mémoire rend compte de l'expertise développée par l'auteur au Centre de recherchede l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) en endoscopie fibrée. Il décrit la construction d'un nouveau type de microscope optique, le MicroscopeInterstitiel Panoramique (PIM). Par la juxtaposition d'un court morceau de fibre à gradientd'indice et d'un prisme à l'extrémité d'une fibre monomode, la lumière laser estfocalisée sur le côté de la sonde. Pour former une image, cette dernière est rapidementtournée autour de son axe pendant qu'elle est tirée verticalement par un actuateurpiézo-électrique. Ce design de système rotatif d'imagerie interstitielle peu invasif est uneffort pour limiter les dégâts causés par la sonde tout en imageant la plus grande régionpossible en imagerie optique cérébrale profonde. / This thesis documents the expertise developed by the author at the Centre de recherchede l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) in fibered endoscopy, particularly the design and construction of a new kind of optical microscope: ThePanoramic Interstitial Microscope (PIM). Through the juxtaposition of a short piece ofGraded-Index fibre and a prism at the end of a single-mode fibre, laser light is focussedon the side of the probe. To form an image, the latter is quickly spun around its axiswhile it is being pulled vertically by a piezoelectric actuator. This minimally invasivefluorescence rotary interstitial imaging system is an endeavor to limit the damage causedby the probe while imaging enough tissue to provide good context to the user in deep brain optical imaging.

Avec l'essor de la microfabrication, il est désormais possible d'imaginer des appareils miniatures qui sont en mesure d'effectuer, à l'échelle microscopique, ce que réalisent les appareils actuels. Or, l'analyse chimique dans ces systèmes peut facilement s'avérer ardue car le volume d'analyte y est très restreint. Ces structures miniatures permettent en contrepartie de manipuler de petites particules, voire des molécules, presqu'individuellement. Il est par conséquent envisageable de pouvoir compter, localiser et identifier des nanoparticules fluorescentes qui seraient, par exemple, le véhicule de détection d'analytes d'intérêt comme de l'ADN dans un système d'analyse chimique microfluidique. Les présents travaux se penchent sur l'analyse de particules fluorescentes confinées au centre d'un canal microfluidique par focus hydrodynamique. L'analyte s'écoule au centre du canal car il est bordé de chaque côté par un flot colinéaire. En ajustant les débits de cette gaine et du flot analyte, il est possible d'aligner les particules au centre du canal. Un système de détection de fluorescence par microscopie confocale modifiée permet de recueillir l'émission de photons et de compter le nombre de particules ayant traversé le volume de détection. De cette façon, on maximise la probabilité de détection car tout l'échantillon est passé au peigne fin. Afin de faire de l'analyse quantitative de particules fluorescentes dans un échantillon, plusieurs paramètres ont été étudiés. Le choix de la configuration microfluidique, la construction du montage optique et la caractérisation de l'appareil ont permis d'analyser des nanoparticules fluorescentes de type ± coeur-coquille ¿ bien particulières. En effet, ces nanoparticules sont recouvertes d'une couche d'or pour tirer profit de l'exaltation de la fluorescence par l'effet plasmon. Les résultats présentés dans ce mémoire démontrent l'utilité du focus hydrodynamique pour l'analyse chimique et sont prometteurs pour étudier différents véhicules de détection.

Pendant que la menace potentielle du bioterrorisme augmente, il y a grand besoin d'un outil qui peut détecter les agents biologiques contaminants dans l'environnement de façon rapide, fiable et précise. Par contre, les méthodes traditionnelles utilisées nécessitent l'utilisation de laboratoires d'analyse sophistiquée, souvent dans des installations centralisées, ce qui demande un capital considérable et une main-d'oeuvre hautement qualifiée. Il est possible de développé des dispositifs basés sur les biocapteurs à faible coût et très efficace à la détection d'agents biologiques. De plus, ils peuvent être utilisés dans d'autres domaines, au jour le jour, tel pour la surveillance de contaminants dans les produits comestibles. Dans le but de résoudre ce problème, une nouvelle approche pour la fabrication d'un biocapteur optique a été développée. Celui-ci serait capable de détecter, de façon directe, des micro-organismes qui seraient immobilisés à sa surface plus rapidement et plus aisément qu'avec les méthodes conventionnelles. En effet, les expériences présentées visent la fabrication d'un biocapteur suite à la déposition de molécules biochimiques sur une hétérostructure de GaAs/ALGaAs. Le biocapteur ainsi produit tire parti de la photoluminescence émise par ce semi-conducteur quantique III-V pour la détection de microorganismes immobilisés spécifiquement et négativement chargés. La présente recherche est basée sur des techniques novatrices de biocapteurs pour lesquelles il existe peu de littérature. Les travaux expérimentaux et les explications théoriques se révèlent ainsi de nature très exploratoires. Les résultats préliminaires obtenus ont d'ailleurs été similaires aux prédictions initiales. De plus, les détails théoriques et explications physiques permettent de comprendre l'origine des résultats obtenus et d'établir, de manière convaincante, les procédures à suivre pour une architecture optimale. Je rapporte ainsi l'étude de la bio-fonctionnalisation du GaAs (001) visant l'immobilisation d'anticorps polyclonaux selon deux architectures différentes. De plus, les architectures proposées ont leurs régions actives ouvertes à l'environnement, pour permettre des mesures en continues et, en plus d'être des systèmes offrant la possibilité de multiplexage, offrent un potentiel de mesures en parallèle, pour un grand nombre de mesures en simultanées. Les résultats obtenus démontrent l'immobilisation réussie ainsi que la détection effectuée du virus de l' influenza A et des bactéries Escherichia coli et Legionella pneumophila respectivement. Enfin, les avantages et les limites de chaque architecture ont ensuite été détaillés.

La microscopie par fluorescence de cellules vivantes produit de grandes quantités de données. Ces données sont composées d’une grande diversité au niveau de la forme des objets d’intérêts et possèdent un ratio signaux/bruit très bas. Pour concevoir un pipeline d’algorithmes efficaces en traitement d’image de microscopie par fluorescence, il est important d’avoir une segmentation robuste et fiable étant donné que celle-ci constitue l’étape initiale du traitement d’image. Dans ce mémoire, je présente MinSeg, un algorithme de segmentation d’image de microscopie par fluorescence qui fait peu d’assomptions sur l’image et utilise des propriétés statistiques pour distinguer le signal par rapport au bruit. MinSeg ne fait pas d’assomption sur la taille ou la forme des objets contenus dans l’image. Par ce fait, il est donc applicable sur une grande variété d’images. Je présente aussi une suite d’algorithmes pour la quantification de petits complexes dans des expériences de microscopie par fluorescence de molécules simples utilisant l’algorithme de segmentation MinSeg. Cette suite d’algorithmes a été utilisée pour la quantification d’une protéine nommée CENP-A qui est une variante de l’histone H3. Par cette technique, nous avons trouvé que CENP-A est principalement présente sous forme de dimère. / Live-cell fluorescence microscopy produces high amounts of data with a high variability in shapes at low signal-to-noise ratio. An efficient design of image analysis pipelines requires a reliable and robust initial segmentation step that needs little parameter fine-tuning. Here, I present a segmentation algorithm called MinSeg for fluorescence image data that relies on minimal assumptions about the image, and uses statistical considerations to distinguish signal from background. More importantly, the algorithm does not make assumptions about feature size or shape, and is thus universally applicable. I also present a pipeline for the quantification of small complexes with single-molecule fluorescence microscopy using this segmentation algorithm as the first step of the workflow. This pipeline was used for the quantification of a small histone H3 variant protein called CENP-A. We found that the CENP-A nucleosomes are dimers.