Le domaine des nanosciences suscite un intérêt croissant au sein de la communauté scientifique cherchant à créer et à développer des objets sur mesure adaptés à de nombreuses applications. Depuis une vingtaine d'années, le développement de nano-objets pour leur utilisation en nanomédecine (diagnostic, thérapie, vectorisation, encapsulation et relargage contrôlé de principes actifs etc...) est en plein essor. En effet, l'avantage de travailler à l'échelle nanométrique est de pouvoir combiner au sein d'un même objet diverses propriétés et fonctionnalités complémentaires faisant de ces nano-matériaux de véritables plateformes pouvant être modulées à souhait. Ainsi, pour la conception de ces nouveaux objets, il est crucial de pouvoir contrôler finement la taille, la structure, la morphologie ainsi que la composition chimique tout en explorant l'influence de la réduction de la taille sur les propriétés physico-chimiques de ces nano-objets. En regard de ces problématiques, ce travail de thèse est dédié à la synthèse contrôlée de nanoparticules de réseaux de coordination paramagnétiques, pour leur utilisation en tant qu'agents de contraste T1 pour l'IRM. D'autre part, la synthèse de nanoparticules de type cœur-coquille permettant de faire croître de manière contrôlée des objets en solution, par l'ajout d'une coquille constituée d'un réseau de même nature ou de nature différente que les particules servant de germes, sera exploitée. Cette synthèse ouvrira la voie à la conception d'objets multimodaux, détectables par différentes techniques d'imagerie médicale, ainsi qu'à l'élaboration de nanoparticules à visée thérapeutique. Pour la mise au point de ces nanoparticules paramagnétiques, les réseaux de coordination à ponts cyanures ont été choisis et plus particulièrement les analogues du bleu de Prusse. Cette famille de matériaux présente de nombreux avantages pour la synthèse d'agents de contraste T1 pour l'IRM, de systèmes multimodaux ou encore de nano-objets alliant diagnostic et thérapie. En effet, la grande proportion d'atomes de surface, la structure tridimensionnelle rigide, la microporosité ainsi que la grande versatilité chimique de ces réseaux de coordination font de ces nanoparticules d'analogue du bleu de Prusse d'excellents candidats pour leur utilisation dans le domaine de l'imagerie médicale ainsi que de la thérapie. Au cours de ce travail de thèse, la synthèse de ces nanoparticules d'analogue du bleu de Prusse sera finement contrôlée afin d'explorer et d'optimiser les différents paramètres pouvant influencer les propriétés de ces nano-objets. Ainsi, différentes questions seront abordées au cours de cette étude afin de comprendre l'influence de la taille, de la composition chimique, de la microporosité, de l'enrobage ou encore de la localisation des ions paramagnétiques sur les propriétés des nanoparticules synthétisées, dans le but d'exalter les performances de ces nano-objets innovants. / In the last twenty years, working at the nanoscale in order to create and develop new nano-objets adapted to a large variety of applications is an important challenge among the scientific community. Particularly, tailoring nanoparticles for nanomedicine (diagnosis, therapy, drug delivery etc…) has become an attractive area for many scientific groups. Indeed, working at the nanoscale offers the possibility to combine several properties and functionalities within a single objet. To understand the effect of size reduction on the physico-chemical properties of these nano-objects, it is crucial to control precisely lots of parameters as the size, the shape, the structure and also the chemical composition of nanoparticles. This thesis is focused on the synthesis and characterization of new cyano-bridged coordination network nanoparticles as T1 contrast agents for magnetic resonance imaging. Moreover, the synthesis of core-shell nanoparticles allowing the controlled growth of nanoparticles in aqueous solution, by adding a shell composed by a different or an identical network to that of the core, will be exploited. This strategy of synthesis will lead to the design of multimodal nanoparticles as well as theragnostic nano-objets. For the elaboration of these paramagnetic nanoparticles, we chose Prussian blue analogue coordination networks that present many advantages for the synthesis of T1 contrast agents due to the high proportion of surface atoms, to the tridimensional rigid structure, to the microporosity and also to the large chemical versatility. In this work, the study and the optimization of the different physico-chemical parameters that could influence the properties and the performances of these nanoparticles as T1 contrast agents for MRI will be presented. In this way, the influence of size reduction, chemical composition, kind of coating and location of paramagnetic ions on relaxivity properties of these innovative nano-materials will be discuss.

Le virus respiratoire syncytial (VRS) est un membre de la famille des Paramyxoviridae, des virus simple brin d'ARN non segmentés de polarité négative. Le virus respiratoire syncytial humain (VRSh) est la principale cause des maladies respiratoires chez les enfants, et il est la priorité des cibles vaccinales. Notre objectif est d'obtenir des réponses sur la structure et la dynamique des différents composants du complexe ARN polymérase ARN dépendante du VRS (RdRp) et sur leurs interactions, en utilisant la résonance magnétique nucléaire (RMN), en espérant pouvoir proposer des molécules qui inhibent ou perturbent ces interactions afin de développer des médicaments antiviraux spécifiques. Mon travail porte sur deux protéines du complexe RdRp: la phosphoprotéine P, qui est le co-facteur principal de la polymérase et elle est nécessaire à la fois pour la transcription virale et pour la réplication, et M2-1 qui est un facteur d'antiterminaison de la transcription. Notre but est de caractériser la structure de P, par rapport à d'autres protéines P des Mononegavirales, la P du VRSh est assez courte et ne comporte pas de domaines avec structure tertiaire stable en dehors du domaine de tétramérisation central résistant à la trypsine. L'analyse de séquence de P prédit la présence d'un domaine d'oligomérisation et de grandes extensions en N-et C-terminales intrinsèquement désordonnés. Cet agencement de domaine est confirmé par RMN. En outre, nous avons utilisé l'analyse de déplacements chimiques secondaires et des mesures de relaxation nucléaire en azote 15 pour montrer que des hélices transitoires sont formées dans les extrémités N- et C-terminales de P. A l'extrémité C-terminale, des hélices presque complètement formées semblent prolonger le domaine d'oligomérisation. A l'extrémité N-terminale des hélices transitoires formées coïncident avec les sites de liaison pour la nucléoprotéine du VRS et pour la liaison au co-facteur de transcription M2-1, comme montré par des expériences d'interaction par RMN. La protéine M2-1 du VRSh est un cofacteur du complexe RdRp essentiel pour la transcription virale en augmentant la processivité de la polymérase. M2-1 est une protéine modulaire qui se lie à l'ARN et interagit également avec la phosphoprotéine virale P. Ces propriétés de liaison sont liées au domaine globulaire de M2-1. Puisque La structure du domaine globulaire de M2-1 a été déjà résolue par mon équipe par RMN, donc nous avons pu montrer le chevauchement partiel des surfaces d'interaction de l'ARN et de P, sur le fragment monomère de M2-1 (58-177) par RMN, confirmant que cette protéine se lie à la phosphoprotéine P et à l'ARN de manière compétitive. Tous les résultats de RMN sont toujours confirmés par des tests fonctionnels par nos collaborateurs à l'INRA, Jouy-en-Josas. / Respiratory syncytial virus (RSV) is a member of the Paramyxoviridae family of non segmented, negative sense singlestranded RNA viruses. Human respiratory syncytial virus (hRSV) is major cause of respiratory diseases in children, and is prioritized vaccine targets. Our aim is to get answers about the structure and dynamics of different components of the RSV RNA dependent RNA polymerase complex (RdRp) and about their interactions, by using Nuclear Magnetic Resonance, as a prerequisite to rational drug design. My work focuses on two RSV proteins: the phosphoprotein, which is the main polymerase co-factor and necessary for both viral transcription and replication, and M2-1 which is the antitermination factor of transcription. Our aim is to characterize the structure of P. As compared to other P proteins of Mononegavirales, hRSV P is rather short and does not comprise domains with stable tertiary fold outside the central trypsin-resistant tetramerization domain. Sequence analysis of P predicts the presence of a helical oligomerization domain and large disordered N-and C-terminal extensions. This domain arrangement is confirmed by NMR. Moreover we used backbone chemical shift analysis and 15 N relaxation experiments to show that transient helices are formed in the N- and C-termini of P. At the C-terminus, nearly completely formed helices seem to prolong the oligomerization domain. At the N-terminus transiently formed helices coincide with the binding sites for the RSV nucleoprotein and for the transcription co-factor M2-1, as shown by NMR interaction experiments. The M2-1 protein of hRSV functions as an essential transcriptional cofactor of the viral (RdRp) complex by increasing polymerase processivity. M2-1 is a modular RNA binding protein that also interacts with the viral phosphoprotein P. These binding properties are related to the core region of M2-1. After solving the structure of the corresponding domain, we showed that partial overlap of the RNA and P interaction surfaces, determined by NMR on the monomeric M2-1(58-177) fragment, accounts for the previously observed competitive behavior of RNA versus P in M2-1 binding. The NMR results are always confirmed by functional tests by our collaborators at INRA, Jouy-en-Josas

La catalyse de polycondensation des silicones, et notamment des élastomères vulcanisables à froid bicomposants, constitue un enjeu scientifique, environnemental et économique. Le dilaurate de dibutyl étain (DLDBE), classé CMR2, très largement utilisé dans l'industrie du silicone sera prochainement interdit par la nouvelle réglementation REACH. L'objectif de cette étude est donc d'étudier de nouveaux systèmes catalytiques des réactions de polycondensation. L'effet des différents constituants de la formulation (masse molaire du PDMS réactif, concentration en réticulant, concentration en catalyseur) sur la cinétique de réticulation et sur les propriétés finales a été étudié par combinaison des techniques de rhéologie, RMN et taux de gonflement. Principalement, ce travail consiste en l'étude approfondie de deux catalyseurs : une guanidine et un complexe de zinc et les résultats montrent que la construction des réseaux est plus ou moins différente selon la catalyse. En effet, un dérivé de l'étain conduit à une construction en deux étapes d'hydrolyse et de condensation, dont l'hydrolyse est d'abord favorisée. En comparaison, les complexes de zinc tendent à se comporter d'une façon très similaire, bien que l'hydrolyse des alcoxysilanes soit plus importante. Au contraire, une catalyse basique favorise très largement la condensation par rapport à l'hydrolyse. La guanidine réagit très rapidement avec les fonctions silanols. Ensuite, l'hydrolyse des alcoxysilanes se produisant dans une moindre proportion, le réseau tridimensionnel se construit. Ces travaux ont donc montré que le complexe de zinc étudié est un bon remplaçant du DLDBE / Silicones condensation catalysis, and more especially room temperature vulcanizable compounds, is a very important scientific, environmental and economic issue. The catalysis species, derivated from tin dilaurate, which are now classified as a CMR2 compound (toxic for reproduction), have been widely used in the silicone industry. The new REACH regulation is going to forbid its use very soon. This study aims to work on new catalytic systems. The influence of the components of the formulation on the kinetics and mechanical properties has been study by different methods: rheology, NMR and swelling measurements. More precisely, this work focuses on two catalysts: one guanidine and zinc complexes. Results have shown that the network construction depends on the catalysis. In fact, while using a tin compound, the construction occurs in two steps, in which hydrolysis is the most important. As a comparison, zinc complexes present the same behaviour as tin compounds even though the hydrolysis step is much more important. On the contrary, it’s known that basic catalysis enhances the condensation step. Then, the guanidine quickly reacts with the silanol functions. Then, in a second step, the alkoxysilanes hydrolysis occurs in a smaller proportion. The tridimensional network is getting built. This work mainly showed that zinc complexes can easily replace tin compounds

Les supercapacités électrochimiques sont des dispositifs de stockage d’énergie à haute puissance, permettant d’emmagasiner et de relarguer l’énergie très rapidement. Parce qu’ils ne peuvent stocker de grandes quantités d’énergie, ces dispositifs sont souvent utilisés en tandem avec des batteries qui, elles, ont de grandes densités d’énergie. Le stockage d’énergie dans les supercapacités se fait principalement par le déplacement des ions dans la double couche électrique de carbones activés (élaboré par un traitement thermique en base concentrée pour augmenter la taille et la quantité des pores) à haute surface spécifique. La présence de réactions faradiques lors du stockage permettrait d’augmenter l’énergie spécifique des supercapacités et d’en améliorer l’utilisation. L’approche préconisée dans le groupe Rochefort pour arriver à ce but est d’ajouter une espèce redox soluble dans l’électrolyte. Les liquides ioniques redox (donc modifiés avec un centre électroactif) sont particulièrement prometteurs par leur grande solubilité dans les électrolytes à base de solvants organiques. Il y a toutefois bien peu de connaissances sur leur fonctionnement et leurs interactions avec les électrodes de carbone activé. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons étudié les interactions entre un liquide ionique redox modifié avec le groupement ferrocène [EMIm][FcNTf] (1-Ethyl-3-methylimidazolium Ferrocénylsulfonyl(trifluorométhylsulfonyl) imide) et deux matériaux en carbone poreux. L’utilisation de deux carbones commerciaux YP-80F et YP-50F, qui ont une des formes de pores semblable, mais des distributions des pores différentes, a permis de mieux comprendre l’effet de la taille des pores sur le stockage. Le carbone avec la plus grande proportion de pores de grande taille allant jusqu’à 3 nm, le YP-80F, a révélé une forte augmentation de l’énergie spécifique de l’ordre de 30 % à 40 % par rapport à celui avec des pores plus restreints (32,9 Wh/kg pour YP-80F contre 19,7 Wh/kg pour YP-50F). Pour déterminer si l’augmentation de l’énergie spécifique est à l’origine d’une meilleure accessibilité des ions redox volumineux aux pores du carbone, nous avons utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMN en 19F). Les études RMN ont montré que le carbone YP-80F, lors de sa charge, contient une plus grande proportion d’ions dans les pores que le YP-50F qui présente des pores de plus petite taille. Ces résultats permettront de développer des espèces électroactives mieux adaptées aux carbones avec lesquels elles sont utilisées et d’améliorer le stockage d’énergie dans les supercapacités électrochimiques. / Electrochemical supercapacitors are high-power energy storage devices that can store and release energy very quickly. Because they cannot store large quantities of energy, these devices are often used in tandem with batteries, which have high energy densities. Energy storage in supercapacitors is mainly achieved by moving ions in the electric double layer of activated carbons with high specific surface area. The addition of faradic reactions during storage would increase the specific energy of supercapacitors and improve their utilization. The approach followed by the Rochefort group to achieve this goal is to add a soluble redox species to the electrolyte of the supercapacitor. Redox ionic liquids (i.e. modified with an electroactive center) are particularly promising because of their high solubility in electrolytes. However, very little is known about how they work and interact with activated carbon electrodes. In this work, we studied the interactions between a redox ionic liquid modified with the ferrocene moiety and two porous carbon materials. Using two commercial carbons YP-80F and YP-50F, which have similar porosity but different pore distributions, we were able to gain a better understanding of the effect of pore size on storage. The carbon with the highest proportion of large pores, YP-80F, showed a strong increase in specific energy of the order of 30% to 40% over that with smaller pores (32,9 Wh/kg for YP-80F vs. 19,7 Wh/kg for YP-50F). Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to determine whether the increase in specific energy was due to greater accessibility of bulky redox ions to the carbon pores. NMR studies have shown that YP-80F carbon, when charged, contains a higher proportion of ions in the porosity than YP-50F, which has a more restricted porosity. These results will enable us to develop electroactive species better suited to the carbons with which they are used, and to improve energy storage in electrochemical supercapacitors.

Actuellement, des méthodes quantitatives de résonance magnétique nucléaire (RMN) offrent des biomarqueurs qui permettent la réalisation d’études longitudinales pour le suivi de l’évolution des maladies neuromusculaires et des essais thérapeutiques de manière non-invasive. A la différence de la dégénérescence graisseuse, les processus d’inflammation/œdème/nécrose et fibrose sont des signes d’activité des maladies et leurs quantifications constitueraient ainsi de biomarqueurs parfaitement adaptés pour le suivi thérapeutique. Ce travail de thèse a consisté à mettre en place des méthodologies quantitatives plus précises et adaptées à l’étude clinique du muscle pour : (i) détecter et quantifier des sites d’activité de maladies par la cartographie T2 de l’eau ; (ii) identifier les différents processus pathophysiologiques qui sont à l’origine des altérations du T2 ; et (iii) détecter et quantifier la fibrose musculaire. Nous avons implémenté deux méthodes pour la quantification du T2 de l’eau dans le muscle. La première est basée sur une séquence d’écho de spin du type CPMG, où les signaux provenant des protons des lipides et de l’eau sont acquis simultanément et séparés à postériori par un traitement tri-exponentiel qui exploite la différence entre les T2 qui caractérisent les signaux de l’eau et de la graisse. La deuxième technique est basée sur une séquence de « partially spoiled steady state free precession (pSSFP) ». Différemment de la première technique qui nécessite un traitement assez élaboré sur des images acquises à 17 temps d’écho différents, dans la pSSFP la cartographie T2 est extraite à partir de deux séries de données 3D. L’acquisition 3D est compatible avec des techniques de sélection spectrale de l’eau, ce qui évite la contamination par les signaux des lipides. Les deux méthodes ont été validées expérimentalement chez des malades et des sujets sains et ont démontré leur capacité à détecter et quantifier des sites d’activité de maladies. Ces deux travaux font l’objet de deux publications dans des journaux scientifiques internationaux : Azzabou, de Sousa, Araujo, & Carlier, 2014. Journal of Magnetic Resonance Imaging. DOI 10.1002/jmri.24613 (in press); et de Sousa, Vignaud, Araujo, & Carlier . 2012. Magnetic Resonance in Medicine. 67:1379-1390. Malgré le fait de permettre la détection des sites d’activité de maladies, la mesure mono-exponentielle du T2 de l’eau par imagerie reste non-spécifique vis-à-vis des processus physiologiques à l’origine de l’augmentation du T2. Il est connu que la relaxation T2 du muscle squelettique n’est pas mono-exponentielle. Cela est interprété comme une conséquence de la compartimentation anatomique de l’eau tissulaire. Nous avons mis au point une méthode pour l’acquisition localisée de données CPMG. Cette technique permet l’acquisition des données dans des conditions nécessaires pour la réalisation de traitements multi-exponentiels précis. Ce travail nous a permis d’établir un modèle de compartimentation qui explique parfaitement la relaxation T2 dans le muscle. Il a fait l’objet d’un article publié dans le « Biophysical Journal » (Araujo, Fromes & Carlier 2014. New Insights on skeletal muscle tissue compartments revealed by T2 NMR relaxometry. (In press)). Les essais réalisés chez des sujets malades suggèrent un grand potentiel pour l’application de la méthode dans des études cliniques. La formation de la fibrose commence avec une accumulation excessive de tissu conjonctif intramusculaire (TCIM). Nous avons exploité la technique « Ultrashort Time-to-Echo » (UTE) pour essayer de détecter et caractériser le signal du TCIM. Dans une première étude, nous avons caractérisé in vivo une composante à T2 court (~500 µs) dans le muscle, et nous avons trouvé des indices qui suggèrent qu’elle représente le TCIM. Dans une deuxième étude, nous avons mis au point une méthodologie qui a permis d’imager cette composante à T2 court dans le muscle pour la première fois. / Current quantitative nuclear magnetic resonance (NMR) technics offer biomarkers that allow performing non-invasive longitudinal studies for the follow up of therapeutic trials in neuromuscular disorders (NMD). In contrast to fat degeneration, the mechanisms of inflammation/oedema/necrosis and fibrosis are characteristic signs of disease activity, which makes their quantification a promising source of crucial biomarkers for longitudinal studies. This thesis work consisted on the implementation of more precise quantitative NMR methods adapted to the clinical study of skeletal muscle (SKM) for : (i) detection and quantification of sites of disease activity by T2-mapping of muscle water ; (ii) investigation of the different pathophysiological mechanisms underlying T2 alterations ; and (iii) Detection and quantification of muscle fibrosis. We implemented two methods for T2 mapping of muscle water. The first one is based on a multi-spin-echo sequence du type CPMG. In this method the 1H-NMR signals from water and lipids are acquired simultaneously. The acquired data are fitted to a tri-exponential model, in which water and fat signals are separated by exploring the T2 difference between water and fat. This method allows extraction of muscle water T2-value in the presence of fat infiltration. The second method is based on a « partially spoiled steady state free precession » (pSSFP) sequence. In contrast to the first method, which demands a sophisticated post-treatment of images acquired at 17 different echo-times, with the pSSFP a T2-mapping is extracted from two 3D data sets. 3D acquisition is compatible with spectrally selective water excitation, which eliminates signal contribution from lipids. Both methods were validated experimentally on patients and healthy subjects. The results demonstrated their capacity to detect and quantify disease activity sites. This 2 works have been published in two international journals : Azzabou, de Sousa, Araujo, & Carlier, 2014. Journal of Magnetic Resonance Imaging. DOI 10.1002/jmri.24613 (in press); et de Sousa, Vignaud, Araujo, & Carlier . 2012. Magnetic Resonance in Medicine. 67:1379-1390. Although it was shown to reveal disease activity, mono-exponential T2 of muscle water is non-specific to what concerns the mechanisms underlying its alterations. It has been long known that T2 relaxation in SKM tissue is multi-exponential. This is currently accepted to reveal anatomical compartmentation of myowater. We implemented a method for localized spectroscopic CPMG acquisition. CPMG data respect echo-time sampling and signal to noise ration limits for allowing robust multiexponential analysis. This work allowed us to establish a compartmentation model that perfectly explains the multi-exponential T2 relaxation observed in SKM tissue. This work was published in the « Biophysical Journal » (Araujo, Fromes & Carlier 2014. New Insights on skeletal muscle tissue compartments revealed by T2 NMR relaxometry. (In press)). Pilot studies performed in patients show promising results and suggest potential application of the method in clinical studies. Fibrosis starts with an excessive accumulation of intramuscular connective tissue (IMCT). We have explored the « Ultrashort time to echo » (UTE) method with the aim to detect and characterize the signal from IMCT. In a first study we characterized in vivo a short T2 component (~500 µs) in SKM, and we collected evidences suggesting that this component might reflect IMCT. Then we implemented a methodology that allowed imaging this short component in SKM tissue for the first time.

L’imagerie et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (IRM et SRM) sont des méthodes non-invasives qui ont le potentiel d’estimer in vivo la quantité et la qualité des adiposités abdominales. Le contexte scientifique et clinique de ce manuscrit s’articule autour de l’étude de surnutrition « Poly-Nut » dont l’un des objectifs est d’analyser les évolutions des tissus adipeux (TA) dans une phase rapide de prise de poids. L’originalité et la complexité de cette thèse résident dans le développement, l’adaptation et la comparaison de plusieurs méthodes quantitatives d’IRM et de SRM, pour l’étude du signal lipidique dans un contexte clinique à 3T. La fiabilité et la validation des mesures obtenues in vivo par ces techniques font ici l’objet d’une étude approfondie. Pour l’analyse quantitative du signal de spectroscopie, différentes méthodes existantes ont été comparées à celle développée spécifiquement pour notre étude clinique. L’estimation paramétrique par moindres carrés non linéaires appliquée aux spectres RMN des lipides peut conduire, selon la fonction modèle utilisée, à un problème non linéaire mal posé. Nous montrons alors que l’utilisation d’un modèle simplifié se fondant sur la structure d’une chaine de triglycéride, comme utilisé récemment en imagerie quantitative, constitue une solution valide au regard de l’état de l’art. Ensuite différentes méthodes (IRM, SRM, Dual Energy X-ray absorptiometry, chromatographie en phase gazeuse) ont été utilisées pour caractériser les TA sous-cutanés et viscéraux. Le suivi par IRM du contenu lipidique du foie ainsi que du volume et de la composition en acide gras des TA à partir d’une unique acquisition en multi-écho de gradient est démontré. Enfin des développements expérimentaux menés parallèlement à l’étude clinique sur un imageur préclinique à 4,7T, comparent différentes stratégies d’encodage du déplacement chimique par imagerie et caractérisent des méthodes SRM pour estimer in vivo la proportion d’omégas-3 dans les chaînes d’acides gras. / Magnetic resonance imaging and spectroscopy (MRI and MRS) are non-invasive methods that have the potential to estimate in vivo the quantity and the quality of abdominal adipose tissues (AT). The scientific and clinical context of this thesis is based on an overfeeding study entitled "Poly-Nut". One of the main objectives of this study is to analyze changes in adipose tissues in a rapid phase of weight gain. The originality and complexity of this thesis rely in the development, adaptation and comparison of several quantitative methods of MRI and MRS, for the study of lipid signal, in a clinical context, at 3T. The reliability and the validation of the measurements obtained in vivo using these techniques are the main subject of this PhD thesis. For the quantitative analysis of the spectroscopy signal, different existing methods have been compared to those developed specifically for our clinical study. According to the model function used, the nonlinear-least-squares parametric estimation applied to the lipid spectra can lead to an ill-posed nonlinear problem. We demonstrated that the use of a simplified model based on the structure of a triglyceride chain, as recently used in quantitative imaging, was a valid solution regarding the state of the art. Then different methods (MRI, MRS, Dual Energy X-ray absorptiometry, gas chromatography) were used to characterize the subcutaneous and visceral AT. We demonstrated the feasibility of MRI to follow the lipid content in the liver as well as the volume and the fatty acid composition of AT using a single multiple gradient-echo acquisition. Finally, experimental developments were carried out in parallel with the clinical study, on a 4.7T preclinical system, first, to compare different strategies for encoding the chemical shift using imaging and, secondly, to characterize MRS methods for in vivo estimation of the relative proportion of omega-3 among all fatty acids.

<p align="justify">Une contribution à l'étude de la dynamique des polymères non enchevêtrés à l'état fondu est apportée, en se focalisant sur les aspects de dynamique locale d'un polymère particulier déjà fort étudié expérimentalement et par simulation, à savoir le polyéthylène.</p> <p><p align="justify">Néanmoins, plusieurs nouveaux résultats spécifiques à cette macromolécule linéaire ou ayant une portée sur les fondus de polymères en général sont obtenus grâce à une approche présentant plusieurs aspects originaux.</p><p><p align="justify">Notre étude par simulation de la phase liquide du polyéthylène est menée sur une large gamme de températures. La nouveauté principale à ce sujet est l'attention particulière portée à la qualité d'équilibration des échantillons à chaque température. A cette fin, des techniques sophistiquées d'échantillonnage Monte Carlo, mises au point récemment, ont été utilisées pour générer des configurations initiales, la phase de polyéthylène à l'état fondu ainsi obtenue pouvant être stable ou métastable. Un programme original de Dynamique Moléculaire a par ailleurs été écrit, en incorporant diverses procédures d'optimisation adaptées au cas du polyéthylène représenté par un modèle atomistique.</p><p><p align="justify">Des observables de diffusion quasi-élastique de neutrons et de résonance magnétique nucléaire sont analysées sur base d'une combinaison linéaire continue d'exponentielles, dont les poids sont donnés par une distribution des temps de relaxation. Cette méthode permet de mieux mettre en évidence les différents processus de relaxation sondés, en évitant les biais induits par un choix particulier de forme analytique servant à une procédure d'ajustement.</p><p><p align="justify">Ayant participé à une expérience de spectroscopie par temps de vol de neutrons, un schéma commun d'analyse est adopté pour les données expérimentales et de simulation concernant le polyéthylène à 450 K. D'autre part, une étude très fouillée de l'évolution de la fonction de diffusion intermédiaire incohérente vers les températures plus basses, suivie par simulation, a permis de distinguer différents processus dynamiques et de déterminer parfois leur origine moléculaire.</p><p><p align="justify">Ces résultats sont combinés à une analyse de la fonction d'auto corrélation d'orientation d'un vecteur C-H en termes d'une description microscopique des processus dynamiques, proposée lors d'une étude récente de fondus de polyéthylène par résonance magnétique nucléaire du 13C. Deux approches complémentaires sont exploitées afin de révéler les caractéristiques essentielles des deux types de relaxation impliqués.</p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Résumé : Les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer présentent une diminution de la capture cérébrale du glucose, qui semble être impliquée dans le développement des problèmes cognitifs associés à la maladie. Toutefois, il n’y a encore aucun consensus quant à savoir si la capture cérébrale du glucose est diminuée chez les personnes âgées cognitivement saines. En condition de déficit de glucose, les cétones sont le substrat énergétique alternatif pour le cerveau. La diète cétogène, induisant une cétose légère, améliore les fonctions cognitives chez les modèles animaux et chez l’homme. Notre premier objectif était d’évaluer l’effet du vieillissement sain et de la diète cétogène sur la capture cérébrale du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, la capture cérébrale de radiotraceurs analogues au glucose et aux cétones a été mesurée par tomographie par émission de positons. Nos résultats montrent que la capture des deux principaux substrats énergétiques du cerveau est globalement similaire chez des rats sains jeunes et âgés, mais est plus élevée suite à la diète cétogène. L’induction d’une cétose légère pourrait corriger la diminution de capture cérébrale du glucose subvenant au cours de la maladie d’Alzheimer. Le second objectif était de déterminer l’effet d’une diète cétogène sur le métabolisme cérébral du glucose et des cétones chez le rat. Pour cela, les différents intermédiaires des voies métaboliques du glucose et des cétones ont été mesurés par spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les résultats démontrent que le métabolisme du glucose et des cétones dans les cellules du cerveau est plus élevé suite à la diète cétogène. Le contenu en acide [gamma]-aminobutyrique, le principal neurotransmetteur inhibiteur, est aussi plus élevé suite à la diète cétogène, ce qui pourrait contribuer à l’effet antiépileptique de la diète cétogène. Le troisième objectif était d’évaluer l’impact d’une restriction calorique à long terme, pouvant induire une cétose légère, sur le métabolisme cérébral chez des rats âgés sains. Nos résultats montrent que, couplée à une diète à haute teneur en sucrose et faible en acides gras oméga-3, la restriction calorique à long terme chez les rats âgés ne modifie pas le profil des métabolites et des acides gras du cerveau. La déficience en acides gras oméga-3 et la surcharge de sucrose pourraient empêcher une grande partie des effets bénéfiques de la restriction calorique au cerveau.//Abstract : Alzheimer’s disease is associated with a reduction of brain glucose uptake, which may be involved in the development of the cognitive problems associated with the disease. It is however unclear whether brain glucose uptake is decreased in the cognitively healthy elderly. Under conditions of glucose deficit, ketones are the alternative brain energy substrate. A mild ketosis, induced by the ketogenic diet, improves cognitive functions in animal models and humans. Our first objective was to evaluate the effect of healthy aging and of a ketogenic diet on brain glucose and ketone uptake in the rat. Brain uptake of radiotracers analogous to glucose and ketones was measured by positron emission tomography. Our results show that the uptake of the brains two main energy substrates is generally similar in healthy young and aged rats, but is higher under the ketogenic diet. The induction of a mild ketosis may compensate the reduction of brain glucose uptake occurring in Alzheimer’s disease. The second objective was to assess the effect of a ketogenic diet on brain glucose and ketone metabolism in the rat. Metabolic pathway intermediates of glucose and ketones were measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Results show that glucose and ketone metabolism in brain cells is higher under the ketogenic diet. Content of [gamma]-aminobutyric acid, the main inhibitory neurotransmitter, is also higher under the ketogenic diet, which could contribute to the antiepileptic effect of the ketogenic diet. The third objective was to evaluate the effect of a long-term calorie restriction, which may induce a mild ketosis, on brain metabolism in healthy aged rats. Our results show that, in conjunction with a diet enriched in sucrose and low in omega-3 fatty acids, long-term calorie restriction in aged rats does not change brain metabolite and fatty acid profiles. Omega-3 fatty acid deficiency and an overload of sucrose may prevent the beneficial effects associated with calorie restriction in the brain.

La solution des problèmes inverses en traitement du signal et de l'image est souvent définie comme le minimiseur d'un critère pénalisé qui prend en compte conjointement les observations et les informations préalables. Ce travail de thèse s'intéresse à la minimisation des critères pénalisés différentiables. Nous discutons plus précisément de la mise en oeuvre algorithmique de l'étape de recherche de pas dans l'algorithme de descente itérative. Les travaux de thèse de Christian Labat [Labat06] ont mené à l'élaboration de la stratégie de pas par Majoration-Minoration quadratique (MMQ 1D). Cette stratégie se démarque des méthodes de pas standards par sa simplicité d'implémentation et ses propriétés de convergence lorsqu'elle est associée à l'algorithme du gradient conjugué non linéaire (GCNL). Nous étendons ces propriétés à la famille des algorithmes à gradient relié. Nous montrons de plus que l'approche MMQ 1D s'étend en une stratégie de pas multi-dimensionnelle MMQ rD assurant la convergence d'algorithmes de sous-espace. Nous illustrons expérimentalement en déconvolution d'image que l'algorithme de super mémoire de gradient SMG + MMQ 2D est préférable à l'algorithme de gradient conjugué non linéaire GCNL + MMQ 1D. Lorsque le critère pénalisé contient une barrière, c'est-à-dire une fonction dont le gradient est non borné, la procédure de pas MMQ est inapplicable. Nous développons une stratégie de pas tenant compte de la singularité de la barrière à travers des approximations majorantes quadratiques augmentées d'un terme logarithmique. La recherche de pas résultante, notée MMLQ 1D, est simple à mettre en \oe{}uvre et garantit la convergence des algorithmes standards de descente itérative. Nous montrons expérimentalement que la méthode MMLQ 1D accroît les performances de l'algorithme de point intérieur primal pour la programmation quadratique. Nous appliquons enfin cette approche à la reconstruction de spectres RMN bi-dimensionnels par maximum d'entropie.

Il existe un lien étroit entre la structure tridimensionnelle et la fonction cellulaire de l’ARN. Il est donc essentiel d’effectuer des études structurales de molécules d’ARN telles que les riborégulateurs afin de mieux caractériser leurs mécanismes d’action. Une technique de choix, permettant d’obtenir de l’information structurale sur les molécules d’ARN est la spectroscopie RMN. Cette technique est toutefois limitée par deux difficultés majeures. Premièrement, la préparation d’une quantité d’ARN nécessaire à ce type d’étude est un processus long et ardu. Afin de résoudre ce problème, notre laboratoire a développé une technique rapide de purification des ARN par affinité, utilisant une étiquette ARiBo. La deuxième difficulté provient du grand recouvrement des signaux présents sur les spectres RMN de molécules d’ARN. Ce recouvrement est proportionnel à la taille de la molécule étudiée, rendant la détermination de structures d’ARN de plus de 15 kDa extrêmement complexe. La solution émergeante à ce problème est le marquage isotopique spécifique des ARN. Cependant, les protocoles élaborées jusqu’à maintenant sont très coûteux, requièrent plusieurs semaines de manipulation en laboratoire et procurent de faibles rendements. Ce mémoire présente une nouvelle stratégie de marquage isotopique spécifique d’ARN fonctionnels basée sur la purification par affinité ARiBo. Cette approche comprend la séparation et la purification de nucléotides marqués, une ligation enzymatique sur support solide, ainsi que la purification d’ARN par affinité sans restriction de séquence. La nouvelle stratégie développée permet un marquage isotopique rapide et efficace d’ARN fonctionnels et devrait faciliter la détermination de structures d’ARN de grandes tailles par spectroscopie RMN. / The tridimensional structure of a given RNA molecule is closely linked to its cellular function. For this reason, it is crucial to study the structure of RNA molecules, such as riboswitches, to characterize their mechanism of action. To do so, NMR spectroscopy is often used to gather structural data on RNA molecules in solution. However, this approach is limited by two main difficulties. First, the production of preparative quantities of natively folded and purified RNA molecules is a long and tedious process. To facilitate this step, our laboratory has developed an RNA-affinity purification method using an ARiBo tag. The second limiting step comes from the extensive signal overlap detected on NMR spectra of large RNA molecules. This overlap is proportional to the length of the RNA, which often prevents high-resolution structure determination of RNAs larger than 15 kDa. To solve this problem, specific isotopic labeling of RNAs can now be achieved. However, existing labeling protocols are expensive, require several weeks of laboratory manipulations and usually provide relatively low yields. This thesis provides an alternative strategy to achieve specific isotopic labeling of RNA molecules, based on the ARiBo tag affinity purification technique. The protocol includes the separation and the purification of isotopically labeled nucleotides, an enzymatic ligation step performed on a solid support and the affinity purification of the RNA of interest, without any sequence restriction. This new strategy is a fast and efficient way to label functional RNAs isotopically and should facilitate NMR structure determination of large RNAs.