Un système est dit robuste s'il est possible de garantir son bon comportement Le cancer est en passe de devenir la première cause de décès dans le monde avec un nombre de cas de cancer qui a pratiquement doublé sur les trente dernières années. Le diagnostic du cancer est d’autant plus important qu’il est maintenant reconnu que, plus la prise en charge du patient est rapide, plus les traitements thérapeutiques sont efficaces. Ce diagnostic doit être précis, fiable, et établi dans les premiers stades de la maladie afin d’augmenter significativement les chances de succès du/des traitements. Les techniques conventionnelles pour le diagnostic du cancer sont essentiellement basées sur des techniques d’imagerie (radiographies, IRM…) associés à des tests cytologiques et biochimiques. Avec le développement récent des technologies de biologie moléculaire (et notamment en protéomique), de nombreux marqueurs tumoraux ont été identifiés et sont utilisés dans des tests d’immunoassay pour le diagnostic voire pronostic du cancer en oncologie clinique. Cependant, le faible taux de marqueurs tumoraux dans le sérum de patient, ainsi que leur grande diversité, sont un challenge important pour l’établissement d’un diagnostic d’autant plus que les techniques de détection souffrent souvent d’un manque de sensibilité et de sélectivité. De plus, du fait de la diversité et de la variabilité des cancers, aucun marqueur tumoral n’est suffisamment spécifique pour permettre un diagnostic précis. Aussi, afin d’augmenter la fiabilité et la précision du diagnostic, il est nécessaire d’utiliser plusieurs marqueurs tumoraux. Dans ce contexte, grâce à leur capacité d’analyse haut débit en parallèle et le faible volume d’échantillon nécessaire, les technologies de puces à protéines (protein microarray)présentent de nombreux avantages pour l’identification de marqueurs tumoraux associés à la réponse humorale. Comme les marqueurs tumoraux sont souvent présents dans les échantillons en très faible quantité (à l’échelle sub micro-molaire), il y a un besoin urgent de développer des puces à protéines avec une détection ultrasensible de marqueurs tumoraux. La spécificité du diagnostic sera fortement liée au choix des protéines que l’on veut détecter(notées protéines cibles) et par conséquent au choix des protéines sondes que l’on va immobiliser sur le support. Un des paramètres critiques dans le développement de puces à protéines sensibles est la chimie de surface qui détermine le mode d’immobilisation de la protéine sonde sur le support et influence son activité biologique et donc sa capacité à reconnaitre et interagir avec la protéine cible que l’on cherche à détecter. Comme de nombreuses études suggèrent qu’un seul biomarqueur n’est pas suffisamment spécifique et sensible, la recherche d’une combinaison pertinente de biomarqueurs est un axe important pour l’amélioration d’un tel diagnostic. L’objectif de ce travail de thèse est donc le développement d’un outil original basé sur la technologie de puces à protéines fonctionnalisées avec différentes chimies de surface pour la détection sensible et spécifique de biomarqueurs tumoraux afin d’améliorer le diagnostic du cancer. Deux types de puces à protéines seront développés pour des applications différentes. Une première puce, avec comme protéines sondes des anticorps, sera développée pour la détection de biomarqueurs tumoraux impliqués dans le cancer colorectal. Une deuxième puce, où les protéines sondes seront des antigènes, sera étudiée en vue de l’identification de réponses autoimmunes de patientes atteintes d’un cancer du sein. [...] / Protein microarrays are becoming powerful tools to screen and identify tumor markers for cancer diagnosis, because of the multiplex detection and minute volume of sample requirement. Due to the diversity and variation in different cancers, no single tumor marker is sensitive and specific enough to meet strict diagnostic criteria. Therefore, a combination of tumor markers is required to increase sensitivity and to establish distinct patterns to increase specificity. To obtain reliable tests, the development of reproducible surface chemistry and immobilization procedure are crucial steps in the elaboration of efficient protein microarrays. In this thesis, 3D micro-structured glass slides were functionalized with various surface chemistries like silane monolayer (amino, epoxy and carboxy), and polymer layers of Jeff amine, chitosan, carboxymethyl dextran (CMD), maleic anhydride-alt-methyl vinyl ether copolymer (MAMVE) for physical adsorption or covalent binding with proteins. Surface characterizations, such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), confirmed the monolayer/polymer grafting on the glass slides. Colorimetric assay for determining amine density of three aminated surfaces demonstrated that APDMES had more grafting density than Jeffamine and chitosan. Contact angle measurements show that polymer surfaces were more hydrophilic than monolayer surfaces due to the increasing dosages of polar functional groups. Moreover, the parameters such as additives and pH of spotting buffer, probe concentration, blocking procedures etc, were optimized for tumor marker detection. Under the optimized conditions, antibody microarrays were validated with purified tumor antigens. The best analytical performances obtained for each tumor antigen tested were strongly dependent on functionalized surfaces, e.g. MAMVE exhibited best analytical performances for CEA andHsp60 while NHS leads to best results for PDI and CA19-9. Besides, the implemented antibody microarrays were applied to tumor marker detection from colorectal cancer sera. This evaluation shows the interest to combine several tumor markers on the same surface and the combination of tumor markers on their specific surface lead to remarkably increase the positive responses of tested cancer sera (even up to 100 %). A second type of microarrays (tumor-associated antigens - TAA microarrays) was designed to discriminate breast cancer patients from healthy donors through the detection of tumor autoantibodies. This study included a cohort of 29 breast cancer patients’ and 28 healthy donors’ sera. A panel of fiveTAAs (Hsp60, p53, Her2, NY-ESO-1 and Hsp70) immobilized on their respective optimized surface chemistry allowed to specifically detect over 82% of breast cancer patients.

Le cancer du sein demeure un problème de santé publique majeure dans le monde. Afin d'améliorer les chances de survie et la qualité de vie des femmes, il est nécessaire d’effectuer le diagnostic à un stade précoce et d’appliquer le traitement. Dans ce contexte, un des objectifs de cette thèse est de développer des puces à protéines pour le diagnostic et le pronostic du cancer du sein. Parmi les nombreux marqueurs biologiques potentiels, des recherches récentes ont montré que des anticorps anti-heat shock proteins (anti-HSPs) sont associés à la genèse tumorale. Ces anticorps seraient donc de bons biomarqueurs diagnostiques et pronostiques pour le cancer du sein. Par conséquent, nous avons élaboré une puce à antigènes afin de détecter les anticorps anti-HSP dans le sérum de 50 patients atteints de cancer du sein et de 26 témoins sains. Nos résultats indiquent clairement que la la détection multiplex d’une combinaison d'anticorps anti-HSP permet de discriminer les patients atteints de cancer du sein des témoins sains avec une sensibilité de 86% et une spécificité de 100%. Ensuite, nous avons élaboré une puce à anticorps pour doser la concentration de l'activateur du plasminogène de type urokinase (uPA) et de son inhibiteur principal (PAI-1) dans 16 extraits cytosoliques de tissus tumoraux. uPA et PAI-1 sont décrits comme étant de bons biomarqueurs pronostiques et prédictifs du cancer du sein. De faibles taux de uPA (≤3 ng / mg de protéine) et PAI-1 (≤14 ng / mg de protéine) sont associés à un faible risque de récidive et pas de bénéfice d’une chimiothérapie pour les patients atteints de cancer du sein. Les résultats obtenus à partir de puces à anticorps étaient surface dépendante par rapport aux résultats obtenus sous forme ELISA. En outre, l'utilisation de nos puces à anticorps nécessite 25 fois moins de volume d'échantillon par rapport à un dosage ELISA, résolvant ainsi les principales limites de la méthode ELISA. Enfin, nous avons déterminé et optimisé les paramètres influençant les performances des puces à protéines, comme par exemple la chimie de surface, la durée expérimentale, la concentration des solutions, etc. Nous avons également étudié les conditions de stockage à la fois pour des surfaces chimiquement fonctionnalisées et pour les puces à protéines. Les résultats ont montré que les puces à protéines conservent leur activité biologique jusqu’à trois mois de stockage. / Breast cancer becomes the most common cancer among women. In order to improve women's chances of survival and life quality, to be diagnosed at an early stage and to receive correct treatment are the most promising ways. In this context, we aim at developing an antigen microarray for screening serological biomarkers to diagnose breast cancer patients as early as possible. Among numerous potential biomarkers, recent researches showed that antibodies against heat shock proteins (HSPs) are associated with tumor genesis and would be good diagnostic and prognostic biomarkers for breast cancer. Therefore, we used customized antigen microarray to screen anti-HSP antibodies in 50 breast cancer patients and 26 healthy controls. Our results indicated clearly that combining multiplex detection of anti-HSPs antibodies could discriminate breast cancer patients from healthy controls with sensitivity 86% and specificity 100%. Then, we elaborated an antibody microarray to detect the concentration of urokinase type plasminogen activator (uPA) in 16 cytosolic extracts of breast tummor tissue. uPA is good prognostic and predictive biomarker for breast cancer, low levels of uPA (≤3 ng/mg of protein) is associated with low risk of recurrence and no benefit of chemotherapy for breast cancer patients, and vice versa. Our results showed that the results obtained from our antibody microarray were surface dependent compared with the results obtained from ELISA. Furthermore, the use of our antibody microarray requires 25 times less sample volume compared with ELISA kit, thus solving the main limitations of ELISA. Finally, we determined and optimized the parameters which affected the performances of protein microarray, e.g. microarray surface chemistry, experimental duration, the concentration of solutions, etc. Furthermore, we studied the storage conditions for both chemically functionalized microarray surface as well as printed protein microarray. Results showed that our protein microarrays retain efficient biological activity for at least 3 month of storage.

L'épilepsie est une maladie neurologique chronique caractérisée par des crises spontanées et récurrentes. Les crises sont générées par un déséquilibre dans le fonctionnement des neurotransmetteurs et des canaux ioniques qui contrôlent l'excitabilité. L'épileptogenèse est majoritairement associée à des pertes neuronales, une gliose, une inflammation plus ou moins importants. Un tiers des patients deviennent réfractaires. Récemment, plusieurs équipes ont montré une association entre les épilepsies focales pharmacorésistantes et la rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE). De plus, une implication du système immunitaire ainsi qu'une cause auto-immune de l'épilepsie ont été suggérées. Dans cette thèse, nous avons observé dans le tissu de patients atteints d'épilepsie pharmacorésistante du lobe temporal (ELT), des fuites d'Immunoglobulines G (IgG) dans le parenchyme et leur accumulation dans les neurones présentant des signes de neurodégénérescence. Le récepteur d'IgG de grande affinité FcyRI est surexprimé sur les cellules ayant une morphologie de type microglie/ macrophages, tandis que le récepteur de faible affinité FcyRIII et le récepteur inhibiteur FcγRII sont moins présents. Dans ce même tissu nous avons noté que les protéines du complément C3c et C5b9 sont exprimées. Ensuite, nous avons étudié si le modèle murin d'épilepsie focale induite par injection intra-amygdalienne de kaïnate reproduit la physiopathologie de l'ELT associée à une rupture de la BHE. ZO-1, la principale protéine des jonctions serrées, présente un marquage discontinu indiquant que la BHE a été affectée. Nous avons remarqué des fuites d'IgGs et d'albumine ainsi que leur accumulation dans le parenchyme coïncidant avec la survenue des crises. La présence d‘IgG dans l'épilepsie pourrait également avoir une cause auto-immune. Nous avons utilisé des puces à protéines pour identifier des antigènes qui induisent une réponse immunitaire, dans le plasma des patients atteints d'ELT, Nous avons sélectionné 19 auto-anticorps spécifiques qui peuvent servir de potentiels biomarqueurs diagnostiques L'ensemble de ces résultats suggère que les fuites d'IgG sont associées à une déficience neuronale, conduisant à des changements immunologiques dans le foyer épileptique qui participent à la pathogénèse de l'ELT. Nous pensons qu'une meilleure interprétation des profils de ces auto-anticorps pourrait offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques. / Epilepsy is a chronic neurologic disorder characterized by recurrent unprovoked seizures. Seizures are generated by an imbalance in the functioning of neurotransmitters and ion channels that control excitability. Epileptogenesis is mostly associated with neuronal loss, gliosis, and inflammation more or less important. A third of patients become drug refractory. Recently, several teams have shown an association between drug-resistant focal epilepsy and disruption of the blood-brain barrier (BBB). In addition, a possible role of the immune system and an autoimmune nature in epilepsy has been suggested. In this thesis, in the tissue of patients with drug-resistant temporal lobe epilepsy (TLE), leakage of immunoglobulin G (IgG) into the parenchyma and IgG accumulation in neurons with attendant signs of neurodegeneration was observed. In addition, the high affinity IgG receptor, FcγRI was expressed on microglia/macrophage shaped cells. The expression of the low affinity IgG receptor, FcγRIII and the inhibitory IgG receptor, FcγRII was decreased. In the same tissue the complement proteins C3c and C5b9 were present on astrocyte/ microglia and macrophage/ microglia shaped cells respectively. Then, we evaluated whether the mouse model of focal epilepsy induced by intra-amygdala microinjection of kainic acid reproduced a pathophysiology of TLE associated with BBB impairment. ZO-1, the main tight junction protein presented discontinuous staining indicating that BBB was affected. Both IgG and albumin extravasations from blood vessels were noted and its parenchymal accumulation was concomitant with seizure occurrence. Another hypothesis of IgG presence in epilepsy incriminates an auto-immune cause. Protein microarray technology was used for identification in pooled plasma samples, of antigens that bind plasma antibody from TLE patients. 19 potential autoantibodies were identified as potential diagnostic biomarkers. Together, these observations suggest that IgG leakage is associated with neuronal impairment, leading to immunological changes in epileptic focus involved in the pathogenesis of TLE. A better interpretation of the profiles of these autoantibodies could offer new therapeutic and diagnostic perspectives.