Les microscopies optiques super-résolues aident à mieux comprendre certains mécanismes biomoléculaires, notamment au sein des neurones. Nous avons construit un tel microscope de type STED (STimulated Emission Depletion) pour observer des défauts azote-lacune (NV) fluorescents dans le diamant, et avons atteint une résolution de 50 nm. À plus long terme, cet instrument permettra d’étudier l’organisation macromoléculaire de protéines impliquées dans la plasticité synaptique, et marquées avec des nanodiamants (ND) fluorescents. Dans cette perspective, nous avons étudié la limite de résolution du STED pour des ND de tailles sub-longueur d’onde. Nos expériences, menées avec l’équipe de Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) ont montré que la taille du spot STED d’un NV dans un ND pouvait atteindre 10 nm, performance similaire à celle obtenue dans un diamant macroscopique. Nous pouvons aussi résoudre plusieurs centres NV dans un ND séparés de seulement ~15 nm. Ces résultats sont en accord avec les simulations numériques faites par l’équipe de Jean-Jacques Greffet (Laboratoire Charles Fabry). En parallèle, nous avons démontré l’internalisation spontanée de ND fluorescents dans des neurones corticaux d’embryons de souris en culture primaire, et étudié leur colocalisation avec des vésicules du réseau trans-Golgi. Enfin, nous avons débuté l’étude du trafic des vésicules contenant les ND et montré qu’il dépend du réseau de microtubules. Les paramètres du mouvement sont compatibles avec ceux des moteurs moléculaires, mais nous nous attendons à ce qu’ils soient différents dans le cas de la surexpression de protéines impliquées dans le trafic (travail en cours). / Super resolution microscopy techniques are a useful tool to understand some biomolecular mechanisms, particularly in neurons. We have built such a STED (STimulated Emission Depletion) microscope for observing Nitrogen-Vacancy (NV) fluorescent defect in diamond, and have reached a resolution of 50 nm. In the longer term, this instrument will study the macromolecular organization of proteins involved in synaptic plasticity and marked with fluorescent nanodiamonds (ND). In this context, we studied the resolution limit of STED for ND of subwavelength size. Our experiments, conducted with the team of Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) showed that the STED spot size of an NV in ND could reach 10 nm, which is similar to performances obtained in a macroscopic diamond. We can also resolve several NV centers, which are separated from only ~15 nm in the same ND. These results are in agreement with numerical simulations carried out by the team of Jean-Jacques Greffet (Laboratoire Charles Fabry). In parallel, we have demonstrated the spontaneous internalization of fluorescent ND in primary culture of cortical neurons from mouse embryos, and studied their colocalization with vesicles of the trans-Golgi network. Finally, we started the study of trafficking vesicles containing ND and showed that it depends on the microtubule network. The motion parameters are compatible with those of molecular motors, but we expect them to be different in the case of overexpression of proteins involved in traffic (work in progress).

Les microscopies optiques super-résolues aident à mieux comprendre certains mécanismes biomoléculaires, notamment au sein des neurones. Nous avons construit un tel microscope de type STED (STimulated Emission Depletion) pour observer des défauts azote-lacune (NV) fluorescents dans le diamant, et avons atteint une résolution de 50 nm. À plus long terme, cet instrument permettra d'étudier l'organisation macromoléculaire de protéines impliquées dans la plasticité synaptique, et marquées avec des nanodiamants (ND) fluorescents. Dans cette perspective, nous avons étudié la limite de résolution du STED pour des ND de tailles sub-longueur d'onde. Nos expériences, menées avec l'équipe de Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) ont montré que la taille du spot STED d'un NV dans un ND pouvait atteindre 10 nm, performance similaire à celle obtenue dans un diamant macroscopique. Nous pouvons aussi résoudre plusieurs centres NV dans un ND séparés de seulement ~15 nm. Ces résultats sont en accord avec les simulations numériques faites par l'équipe de Jean-Jacques Greffet (Laboratoire Charles Fabry). En parallèle, nous avons démontré l'internalisation spontanée de ND fluorescents dans des neurones corticaux d'embryons de souris en culture primaire, et étudié leur colocalisation avec des vésicules du réseau trans-Golgi. Enfin, nous avons débuté l'étude du trafic des vésicules contenant les ND et montré qu'il dépend du réseau de microtubules. Les paramètres du mouvement sont compatibles avec ceux des moteurs moléculaires, mais nous nous attendons à ce qu'ils soient différents dans le cas de la surexpression de protéines impliquées dans le trafic (travail en cours).

L’identification de biomarqueurs des maladies mentales telles que l’autisme, la schizophrénie ou la maladie d’Alzheimer, est d’une importance capitale non seulement pour établir un diagnostic objectif, mais aussi pour suivre l’effet des traitements. La création et le maintien de fonctions neuronales sub-cellulaires, telle que la plasticité synaptique, sont fortement dépendants du transport intraneuronal, essentiel pour acheminer d’importants composants à des positions spécifiques. Un transport actif défaillant semble être partiellement responsable d’anomalies de la plasticité synaptique et de la morphologie neuronale présentes dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques. Cette thèse décrit (i) la mise au point d’une méthode de quantification du transport intraneuronal reposant sur le suivi de nanoparticules de diamants fluorescents (fNDs); (ii) l’application de cette technique simple et faiblement invasive à l’analyse fonctionnelle de variants génétiques associés à des maladies neuropsychiatriques. Ce manuscrit comporte quatre chapitres. Le premier détaille l’architecture polygénique complexe des maladies mentales et démontre la pertinence d’étudier le transport intraneuronal. Les deuxième et troisième chapitres sont dédiés à la méthode et détaillent les stratégies d’internalisation des fNDs, les outils de quantification du transport intraneuronal et la validation de la technique. La forte brillance, la photo-stabilité parfaite et l’absence de toxicité cellulaire font des fNDs un outil de choix pour étudier la dynamique du transport intraneuronal sur une durée d’observation de plusieurs heures avec une haute résolution spatiotemporelle et une bonne puissance statistique. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous appliquons cette nouvelle méthode d’analyse fonctionnelle pour étudier l’effet de variants génétiques associés à l’autisme et à la schizophrénie. Pour cela, nous utilisons des lignées de souris transgéniques ayant une faible surexpression des gènes MARK1 et SLC25A12, ainsi que des AAV-shRNA pour induire une haplo-insuffisance du gène AUTS2. Notre méthode de diagnostic moléculaire s’avère suffisamment sensible pour déceler des variations fines de la dynamique du transport intraneuronal, ouvrant la voie à de futurs développements en nanomédecine translationnelle. / The identification of molecular biomarkers of brain diseases as diverse as autism, schizophrenia and Alzheimer’s disease, is of crucial importance not only for an objective diagnosis but also to monitor response to treatments. The establishment and maintenance of sub-cellular neuronal functions, such as synaptic plasticity, are highly dependent on intracellular transport, which is essential to deliver important materials to specific locations. Abnormalities in such active transport are thought to be partly responsible for synaptic plasticity and neuronal morphology impairment found in many neuropsychiatric and neurodegenerative diseases. This thesis reports (i) the development of a quantification technic of intraneuronal transport based on fluorescent nanodiamonds (fNDs) tracking; (ii) the application of this simple and minimally invasive approach to the functional analysis of neuropsychiatric disease-related genetic variants.This manuscript falls into four chapters. The first one details the complex polygenic architecture of mental disorders and demonstrates the disease relevance of monitoring the intraneuronal transport. The second and the third chapters are dedicated to the nanodiamond-tracking assay and describe the fNDs internalisation strategies, the spatiotemporal quantitative readouts and the validation of the technic. The high brightness, the perfect photostability and the absence of cytotoxicity make fNDs a tool of choice to perform high throughput long-term bioimaging at high spatiotemporal resolution. Finally, in the fourth chapter, we apply this new functional analysis method to study the effect of genetic variants associated to autism and schizophrenia. We established transgenic mouse lines in which MARK1 and SLC25A12 genes were slightly overexpressed, and AAV-shRNA to induce AUTS2 gene haploinsufficiency. Our molecular diagnosis assay proves sufficiently sensitive to detect fine changes in intraneuronal transport dynamic, paving the way for future development in translational nanomedicine.