La fluorescence d'une molécule est sensible à son environnement électromagnétique. La présence d'une structure métallique modifie l'excitation et l'émission des fluorophores, par le jeu d'interférences et de couplages avec les plasmons de surface. Nous avons élaboré et caractérisé des films métalliques de différentes morphologies (films de nanoparticules, percolés, continus, plans, rugueux. . .). Leur influence sur la réponse optique<br />des fluorophores a été étudiée par la modélisation puis l'expérience, en fonction de la distance fluorophore-métal et de l'orientation moléculaire. Une amplification d'un à deux ordres de grandeur du signal détecté est observée, ainsi qu'une photostabilisation des fluorophores et une modification des transferts d'énergie intermoléculaires. Nous<br />démontrons l'intérêt de cette technologie pour améliorer la sensibilité dans les puces à ADN et pour l'imagerie des cellules et des tissus.

Les puces à ADN permettent d'étudier simultanément l'expression de plusieurs milliers de gènes à partir de peu d'individus biologiques. Trois approches sont considérées dans cette thèse pour résoudre les problèmes de sensibilité dans la recherche de gènes différentiellement exprimés: la modélisation des variances-covariances, l'analyse séquentielle et la méta-analyse. La première et la troisième partie reposent principalement sur des approches dites de 'shrinkage' qui estiment les valeurs de chaque gène à partir de l'information provenant de l'ensemble des gènes. En diminuant le nombre de paramètres à estimer, elles permettent d'augmenter la sensibilité. La modélisation des variances se révèle particulièrement utile dans le cas d'expériences avec de petits échantillons. La modélisation des covariances est quant à elle particulièrement pertinente pour les études de suivi longitudinal où les mesures sont répétées sur les mêmes individus au cours du temps. Côté analyse séquentielle, la sensibilité est étudiée en tant que règle d'arrêt. On cherche alors à arrêter une expérience en cours dès que ce critère dépasse un certain seuil, afin d'en diminuer les coûts. La méta-analyse est ensuite étudiée dans un contexte beaucoup plus général que celui de l'analyse séquentielle où on combinait les analyses intermédiaires. Elle permet de gagner de la sensibilité en regroupant des résultats d'études individuelles qui ne sont pas comparables directement mais qui répondent à une même question biologique. La méta-analyse est abordée à la fois sous l'angle fréquentiste (combinaison de grandeurs des effets ou combinaison de p-values) et sous l'angle bayésien.

Le cancer médullaire de la thyroïde (CMT), qui représente 5 à 8% des cancers de la thyroïde, estissu de la transformation maligne des cellules C du parenchyme thyroïdien. Ce cancer, sporadiquedans 70 à 80% des cas et familial pour les 20 à 30% restants, est essentiellement lié à desanomalies du proto-oncogène RET, codant un récepteur à activité tyrosine kinase. La fréquenceélevée des mutations activatrices de RET ont permis d'identifier ce récepteur comme une ciblethérapeutique majeure. Si la chirurgie est le traitement de référence pour les formes localisées, lesformes localement avancées ou métastatiques, de pronostic plus péjoratif étaient avant ledéveloppement des thérapies moléculaires ciblées, dans une impasse thérapeutique. La meilleurecompréhension de la biologie des tumeurs a permis le développement de ces thérapies plusrationnelles et plus spécifiques, en particulier des inhibiteurs d'activité tyrosine kinase (ITK).L'optimisation de leur utilisation en clinique nécessite de mieux comprendre leurs mécanismesd'action.Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse ont été à la fois cognitifs et cliniques, visant àaméliorer la compréhension de la réponse moléculaire à deux ITKs, le sunitinib et la vandetanib,dans le CMT, et à identifier de nouveaux biomarqueurs de suivi thérapeutique. Dans un premiertemps, nous avons montré les effets antiprolifératifs, antitumoraux et antiangiogéniques dusunitinib et du vandetanib dans un modèle de CMT muté RETC634W, mettant en évidence desprofils d'activité proches entre les deux inhibiteurs. Puis, les principales voies de signalisationmises en jeu lors de la réponse à ces ITKs ont été explorées par Reverse-Phase Protein Array(RPPA). Par une approche transcriptomique haut-débit menée sur des modèles précliniques, lesprincipales fonctions cellulaires impliquées dans la réponse au sunitinib et au vandetanib ont étéidentifiées. Le rôle de gènes participant à l'invasion tissulaire et au pouvoir métastatique a été misen évidence. De nouveaux biomarqueurs potentiels de réponse au vandetanib et au sunitinib, telsque l'IL-8 et le TGF-2 dont les taux sériques sont significativement plus élevés chez les patientsatteints de CMT, ont été identifiés. Enfin, l'intérêt de trois approches méthodologiques dans lesuivi de la réponse antitumorale chez les patients a été évalué. Ainsi, le développement d'uneméthode de dosage du vandetanib par spectrométrie de masse a permis de suggérer un lien entredes taux sériques élevés et l'apparition de toxicités sévères. L'évaluation de biomarqueurs dans lesérum de patients traités par le vandetanib a souligné l'intérêt de l'IL-8 comme marqueurpronostic potentiel dans cette pathologie. Enfin les résultats préliminaires, évaluant la réponse ausunitinib par échographie doppler sur un modèle préclinique de souris xénogreffées, ontconfirmé l'intérêt de l'imagerie fonctionnelle dans ce domaine.

La technologie des microarrays demeure à ce jour un outil important pour la mesure de l'expression génique. Au-delà de la technologie elle-même, l'analyse des données provenant des microarrays constitue un problème statistique complexe, ce qui explique la myriade de méthodes proposées pour le pré-traitement et en particulier, l'analyse de l'expression différentielle. Toutefois, l'absence de données de calibration ou de méthodologie de comparaison appropriée a empêché l'émergence d'un consensus quant aux méthodes d'analyse optimales. En conséquence, la décision de l'analyste de choisir telle méthode plutôt qu'une autre se fera la plupart du temps de façon subjective, en se basant par exemple sur la facilité d'utilisation, l'accès au logiciel ou la popularité. Ce mémoire présente une approche nouvelle au problème de la comparaison des méthodes d'analyse de l'expression différentielle. Plus de 800 pipelines d'analyse sont appliqués à plus d'une centaine d'expériences sur deux plateformes Affymetrix différentes. La performance de chacun des pipelines est évaluée en calculant le niveau moyen de co-régulation par l'entremise de scores d'enrichissements pour différentes collections de signatures moléculaires. L'approche comparative proposée repose donc sur un ensemble varié de données biologiques pertinentes, ne confond pas la reproductibilité avec l'exactitude et peut facilement être appliquée à de nouvelles méthodes. Parmi les méthodes testées, la supériorité de la sommarisation FARMS et de la statistique de l'expression différentielle TREAT est sans équivoque. De plus, les résultats obtenus quant à la statistique d'expression différentielle corroborent les conclusions d'autres études récentes à propos de l'importance de prendre en compte la grandeur du changement en plus de sa significativité statistique. / Microarrays remain an important tool for the measurement of gene expression, and a myriad of methods for their pre-processing or statistical testing of differential expression has been proposed in the past. However, insufficient and sometimes contradictory evidence has prevented the emergence of a strong consensus over a preferred methodology. This leaves microarray practitioners to somewhat arbitrarily decide which method should be used to analyze their data. Here we present a novel approach to the problem of comparing methods for the identification of differentially expressed genes. Over eight hundred analytic pipelines were applied to more than a hundred independent microarray experiments. The accuracy of each analytic pipeline was assessed by measuring the average level of co-regulation uncovered across all data sets. This analysis thus relies on a varied set of biologically relevant data, does not confound reproducibility for accuracy and can easily be extended to future analytic pipelines. This procedure identified FARMS summarization and the TREAT gene ordering statistic as algorithms significantly more accurate than other alternatives. Most interestingly, our results corroborate recent findings about the importance of taking the magnitude of change into account along with an assessment of statistical significance.

Cette thèse expose la problématique récente concernant la résolution de problèmes de grande dimension. Nous présentons les méthodes permettant de les résoudre ainsi que leurs applications, notamment pour la sélection de variables dans le domaine de la fouille de données. Dans la première partie de cette thèse, nous exposons les enjeux de la résolution de problèmes de grande dimension. Nous nous intéressons principalement aux méthodes de recherche linéaire, que nous jugeons particulièrement adaptées pour la résolution de tels problèmes. Nous présentons ensuite les méthodes que nous avons développées, basées sur ce principe : CUS, EUS et EM323. Nous soulignons en particulier la très grande vitesse de convergence de CUS et EUS, ainsi que leur simplicité de mise en oeuvre. La méthode EM323 est issue d'une hybridation entre la méthode EUS et un algorithme d'optimisation unidimensionnel développé par F. Glover : l'algorithme 3-2-3. Nous montrons que ce dernier algorithme obtient des résultats d'une plus grande précision, notamment pour les problèmes non séparables, qui sont le point faible des méthodes issues de la recherche linéaire. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons aux problèmes de fouille de données, et plus particulièrement l'analyse de données de puces à ADN. Le but est de classer ces données et de prédire le comportement de nouveaux exemples. Dans un premier temps, une collaboration avec l'hôpital Tenon nous permet d'analyser des données privées concernant le cancer du sein. Nous développons alors une méthode exacte, nommée delta-test, enrichie par la suite d'une méthode permettant la sélection automatique du nombre de variables. Dans un deuxième temps, nous développons une méthode heuristique de sélection de variables, nommée ABEUS, basée sur l'optimisation des performances du classifieur DLDA. Les résultats obtenus sur des données publiques montrent que nos méthodes permettent de sélectionner des sous-ensembles de variables de taille très faible,ce qui est un critère important permettant d'éviter le sur-apprentissage

La choroïde ou uvée, située entre la rétine et la sclérotique, est une membrane vasculaire qui tapisse la paroi de l'œil, son rôle est d'assurer l'apport en nutriment de la rétine et de l'iris. Ce tissu peut être le siège de nombreuses tumeurs, bénignes ou malignes. Le mélanome de la choroïde est la tumeur intra-oculaire la plus fréquente de l'adulte mais les facteurs de risque sont mal connus: l'exposition aux ultraviolets n'est pas clairement établi dans la genèse de la tumeur, de même que l'âge ou le sexe.L'énucléation a longtemps été considérée comme la seule option thérapeutique, mais depuis de nombreuses années, des techniques dites conservatrices de l'œil se sont développées. Des études ont montré qu'il n'y a pas de différence significative de survie entre les patients ayant subis une énucléation et les patients traités avec des méthodes conservatrices. De plus, à ce jour, aucune thérapie adjuvante n'a montré son efficacité après le traitement du mélanome oculaire primaire. En effet, malgré un traitement initial bien adapté, la moitié des patients va récidiver sur le mode métastatique. Environ 30\% des patients récidivent dans les 5 ans, ce chiffre augmente jusqu'à 50\% à 15 ans.L'œil étant dépourvu de structures lymphatiques, la diffusion métastatique du melanome uvéal se fait par voie hématogène. Le foie est le site privilégié de développement de métastases, faisant toute la gravité du pronostic. La médiane de survie après apparition de métastases est de 2 à 6 mois en l'absence de traitement. Il peut exister de façon plus anecdotique des métastases pulmonaires, ganglionnaires, osseuses ou cutanées.Sur un plan génétique, les critères les plus fréquemment détectés pour le mélanome uvéal sont la perte du chromosome 3 et le gain du 8q. Plusieurs études montrent dans beaucoup de cas des aberrations chromosomiques non aléatoires sur les chromosomes 1, 3, 6 et 8 et que la perte du chromosome 3 et le gain du 8q sont associés significativement à une survie réduite et au développement de métastase. Plusieurs rapports suggèrent deux entités distinctes de mélanome uvéal (avec et sans monosomie du chromosome 3) qui ne peuvent pas être différenciées du fait de leur aspect clinico-pathologique similaire.Afin d'améliorer le diagnostic et le traitement du mélanome de la choroïde, nous proposons d'effectuer des analyses d'expression et du nombre de copie d'ADN de ce mélanome particulier, avec pour objectifs : l'identification des gènes liés à l'apparition de métastase pour classer les patients à haut risque afin qu'ils puissent bénéficier d'une immunothérapie adjuvante spécifique, la caractérisation de ces gènes au niveau moléculaire, et l'étude du potentiel de ces gènes en tant que cibles thérapeutiques.Dans ce manuscrit je décrirai en détail le lignage mélanocytaire afin de comprendre les particularités du mélanome de la choroïde par rapport au mélanome cutané, puis j'aborderai l'importance des approches haut débit dans l'étude des cancers et les techniques d'analyse bioinformatiques utilisées. Je présenterai ensuite les différents résultats obtenus comme la mise en évidence d'une phosphatase, PTP4A3, qui semble avoir de l'importance dans le développement métastatique du mélanome de la choroïde.

De part leur dimension élevée, les données de puces à ADN nécessitent l’application de méthodes statistiques pour en extraire une information pertinente. Dans le cadre de l’étude des différences entre deux agonistes de PPAR (Peroxisome Proliferator-Activated Receptor), nous avons sélectionné trois méthodes de sélection de variables : T-test, Nearest Shrunken Centroids (NSC) et Support Vector Machine – Recursive Feature Elimination. Ces méthodes ont été testées sur des données simulées et sur les données réelles de l’étude PPAR. En parallèle, une nouvelle méthodologie, MetRob, a été développée afin d’améliorer la robustesse ce ces méthodes vis à vis de la variabilité technique des puces à ADN, ainsi que leur reproductibilité. Cette nouvelle méthodologie permet principalement d’améliorer la valeur prédictive positive, c’est-à-dire la confiance accordée aux résultats. La méthode NSC s’est révélée la plus robuste et ce sont donc les résultats de cette méthode, associée à MetRob, qui ont été étudiés d’un point de vue biologique. / The microarray technology provides high dimensional data that need to be statistically treated for extracting relevant information. Within the context of the study of the differences between two PPAR (Peroxisome Proliferator-Activated Receptor) agonists, we selected three feature selection methods : T-test, Nearest Shrunken Centroids (NSC) and Support Vector Machine – Recursive Feature Elimination. These methods were tested on simulated and on real data. At the same time, a new methodology, MetRob, was developed in order to improve the robustness of these methods towards the technical variability of microarrays, as well as their reproducibility. This new methodology mainly improves the positive predictive value, which means the confidence in the results. The NSC method was found to be the most robust. The results of the association of MetRob and NSC were thus studied from a biological point of view.

Une analyse multiple des mutations, de l’expression des transcrits et de l’épissage alternatif a été réalisée dans des biopsies de lésions colorectales, correspondant à des stades variés de transformation, afin de rechercher des altérations qui caractériseraient la transformation de la muqueuse normale en adénome, puis en adénocarcinome. Cette analyse est basée sur l’utilisation de différentes technologies de puces à ADN. Des altérations spécifiques à chaque type de lésions colorectales ont été mises en évidence, démontrant que les adénomes et les adénocarcinomes sont des entités distinctes. Cependant, des altérations communes ont aussi été identifiées, confirmant que l’adénome est un état transitoire avant l’adénocarcinome. Une sélection clonale et des effets environnementaux sont sans doute à l’origine de la progression des adénomes en adénocarcinomes. Des voies de signalisation cellulaire caractéristiques de cette transformation ainsi qu’une classification des lésions colorectales ont été recherchées. Une signature de 40 transcrits a été identifiée, qui pourrait permettre de prédire la transformation des adénomes en adénocarcinomes. Des événements d’épissage alternatif ont aussi été détectés dans les adénomes, suggérant l’implication, à un stade précoce, de ces altérations dans le processus de cancérisation. Enfin, une puce à ADN « à façon » a été élaborée, qui s’inscrit dans une perspective d’appui à la mise en oeuvre de thérapeutiques anticancéreuses. Elle permet en effet d’analyser l’épissage alternatif des gènes codant les protéines cibles des nouvelles thérapies ciblées du cancer. / A genome-wide analysis of mutation, gene expression and alternative pre-mRNA splicing was performed in colorectal normal mucosa, adenoma and adenocarcinoma biopsy samples in order to look for some alterations that could characterize the stepwise “colorectal normal mucosa-adenoma-adenocarcinoma” transition. It was conducted through different microarray-based experiments. Alterations specific for either adenomas or adenocarcinomas were identified. Nevertheless, most deregulated genes in adenocarcinomas were shared between adenomas and adenocarcinomas, in agreement with the notion that adenomas are precursor lesions for adenocarcinomas. Adenomas may have different outcomes, depending on environment, some evolving towards cancer, while others could be prone to disappearance. Pathway enrichment in colorectal lesions and classification of colorectal lesions were investigated. A 40-gene set was identified as a gene expression signature that could help predicting patients, at time of adenoma ablation, with a risk for developing colorectal cancer. Splicing profiles were also identified in colorectal lesions, suggesting that alternative splicing may play a major role in cancer outcome. Finally, a custom microarray was designed with the aim to predict the response of patients before treatment. This custom microarray makes it possible to analyze transcript structure and levels for genes involved in the response to targeted anticancer therapies.

La régression Partial Least Squares (PLS), de part ses caractéristiques, est devenue une méthodologie statistique de choix pour le traitement de jeux de données issus d’études génomiques. La fiabilité de la régression PLS et de certaines de ses extensions repose, entre autres, sur une détermination robuste d’un hyperparamètre, le nombre de composantes. Une telle détermination reste un objectif important à ce jour, aucun critère existant ne pouvant être considéré comme globalement satisfaisant. Nous avons ainsi élaboré un nouveau critère de choix pour la sélection du nombre de composantes PLS basé sur la technique du bootstrap et caractérisé notamment par une forte stabilité. Nous avons ensuite pu l’adapter et l’utiliser à des fins de développement et d’amélioration de procédés de sélection de prédicteurs significatifs, ouvrant ainsi la voie à une identification rendue plus fiable et robuste des probe sets impliqués dans la caractéristique étudiée d’une pathologie. / The Partial Least Squares (PLS) regression, through its properties, has become a versatile statistic methodology for the analysis of genomic datasets.The reliability of the PLS regression and some of its extensions relies on a robust determination of a tuning parameter, the number of components. Such a determination is still a major aim since no existing criterion could be considered as a global benchmark one in the state-of-art literature. We developed a new bootstrap based stopping criterion in PLS components construction that guarantee a high level of stability. We then adapted and used it to develop and improve variable selection processes, allowing a more reliable and robust determination of significant probe sets related to the studied feature of a pathology.

L'objectif de cette thèse est d'explorer l'inflammation et l'infection au niveau du transcriptome, à l'aide de la technologie des puces à ADN. Pour cela, nous avons dans un premier temps travaillé sur des données publiques. Nous avons construit une base de données de signatures transcriptionnelles annotées, et développé un logiciel modulaire d'analyse. Ce logiciel permet d'explorer aisément les données publiques en effectuant des recherches par nom de gène ou par mots-clés. Nous avons ensuite exploré la modulation temporelle de l'expression des gènes du parenchyme pulmonaire dans un modèle murin d'inflammation aiguë par injection d'acide oléique. Dans un second modèle murin d'infection par Coxiella burnetii, nous avons analysé le rôle du sexe dans la modulation de la réponse transcriptionnelle hépatique, et identifié des voies métaboliques impliquées dans le contrôle de l'infection. Dans un troisième modèle in-vitro d'infection par différentes souches du virus de la grippe, nous avons identifié une signature transcriptionnelle commune de réponse à l'infection. Par une approche bio-informatique originale, cette signature a conduit à l'identification de nouveaux anti-viraux à large spectre, dont l'efficacité a été démontrée in-vitro sur les souches utilisées pour l'analyse, et sur la souche H1N1, responsable de la dernière pandémie grippale. Enfin, nous avons analysé les modulations du transcriptome lors de pneumonies associées à la ventilation mécanique compliquant l'évolution de sujets traumatisés graves admis en réanimation. / The goal of this PhD is to explore inflammation and infection at the transcriptome level, using DNA microarrays. In order to do so, we first analyzed public data. We built a database with annotated transcriptional signatures and developed a modular analysis software to query this database. This software allows to easily explore public data with requests based on gene names or annotation keywords. We then explored the temporal modulation of lung gene expression following oleic acid injection in a murine model. In a second murine model of infection with Coxiella burnetii, we analyzed the influence of sex-related modulation in the hepatic transcriptional response after infection and identified several pathways implicated in the control of infection. In a third model of in-vitro infection with various Influenza virus strains, we identified a shared transcriptional signature in response to cell infection. Using an original in-silico methodology, this signature allowed us to identify new broad-spectrum antivirals. Efficacy of these molecules was demonstrated in-vitro against the strains used to define the signature, and also against the new pandemic H1N1 SOIV strain. Finally, we analyzed the transcriptional modulation occurring in whole blood samples from trauma patients hospitalized in intensive care unit, and whose evolution was complicated with ventilator-associated pneumonia.