Avec près de 30 millions de morts depuis le début de la pandémie, l'infection par le VIH est un véritable fléau à l'échelle mondiale, surtout en Afrique sub-saharienne. Dans ce contexte, disposer d'une formulation microbicide efficace, facile à administrer par la voie vaginale, représenterait un outil de prévention idéal pour lutter contre cette pandémie. Ainsi, la conception rationnelle de telles formulations représente un enjeu majeur de santé publique.Ce travail décrit la recherche de formulations thermogélifiantes et mucoadhésives à base de pluronics et d'hydroxypropyl méthylcellulose (HPMC). Outre la caractérisation de leurs propriétés rhéologiques et d'adhésion, ainsi que des études en culture cellulaire suggérant une très faible toxicité de contact, ces hydrogels ont montré d'une part, leur capacité à véhiculer efficacement le peptide M48U1 (équipe L. Martin, CEA) destiné à bloquer l'entrée cellulaire du VIH et d'autre part à ralentir considérablement la diffusion de nanoparticules modèles mimant les particules virale matures du VIH-1, en comparaison d'hydrogel d'hydroxy éthylcellulose (HEC) fréquemment utilisés dans divers essais cliniques infructueux et aussi au mucus cervico-vaginal de macaque. L'ensemble des résultats suggère donc la capacité de ces formulations à constituer une double barrière, physique et pharmacologique, protectrice de la muqueuse vaginale vis-à-vis du VIH.

L'épuration mucociliaire est la première ligne de défense de l'appareil respiratoire. L'altération de l'épuration mucociliaire se traduit par une stagnation et/ou une accumulation de mucus, conduisant potentiellement à des obstructions plus ou moins partielles et à des infections chroniques des voies aériennes. On compte deux grands types d'altération de l'épuration mucociliaire. Le premier est lié aux caractéristiques du mucus, comme dans le cas de la mucoviscidose. Le deuxième est lié à des anomalies de l'ultrastructure du cil et /ou de son battement regroupées sous le terme de "ciliopathies"qui peuvent être soit innées soit acquises.Ce travail, qui s'inscrit dans le cadre clinique de la problématique des ciliopathies respiratoires et de leur prise en charge, a pour objectif de mieux caractériser, à partir des outils de la Biomécanique, les mécanismes du battement ciliaire (incluant une mesure de l'efficacité globale du battement des cils) et à transférer ces connaissances au profit de la clinique.Pour cela une méthodologie de caractérisation systématique de la mécanique ciliaire à partir de prélèvements biologiques issus de patients observés par vidéo-microscopie à haute vitesse a été développée parallèlement au développement d'un modèle numérique intégrant le couplage entre battement ciliaire et transport de fluide. Cette association entre expériences et modèle numérique a permis de proposer un nouvel index utilisable par les cliniciens pour caractériser l'efficacité du battement ciliaire. Cet index présente l'avantage de ne pas exiger de modification de la pratique clinique concernant la collecte de données biologiques / Mucociliary clearance is the first line of defense of the respiratory tract. Alteration of this clearance leads to a stagnation and/or accumulation of mucus, potentially resulting in more or less partially obstructions and in chronic infections of the airways. There are two main types of mucociliary clearance alterations. The first one is linked to the mucus characteristics, as in cystic fibrosis. The second one is connected to cilium ultrastructure abnormalities and/or ciliary beating defects encompassed by the term of "ciliopathies" which may be primary or acquired.This work, which takes place in the clinical issue of respiratory ciliopathies and their care, aims to better characterize, through biomechanics tools, the mechanisms of ciliary beating (including a measurement of the global efficiency of cilia) and to transfer these knowledges in favor of the clinical management.A methodology of systematic characterization of the ciliary mechanics, from biological samples derived from patients observed through high-speed video-microscopy analysis, has been developed as the same time as the development of a numerical model incorporating the coupling between ciliary beating and fluid motion. This association between experiments and numerical model allowed to propose a new index usable by the clinicians to characterize the ciliary beating efficiency. This index has the advantage of not requiring a modification of the clinical practice of biological data collection

Les virus bactériens (bactériophages), durant leur co-évolution avec les bactéries, ont su trouver de nombreuses voies pour détourner les machineries cellulaires dans le but de se multiplier efficacement. L’infection par le phage dès son entrée dans le cytoplasme est un bouleversement pour la bactérie en termes de ressources monopolisées à ses dépens et probablement de restructuration de l’espace cytoplasmique. Dans ce travail de thèse, l’impact de l’infection de la bactérie Gram-positive Bacillus subtilis par le bactériophage SPP1 a été étudié.La réplication de l’ADN est initiée par des protéines précoces virales. Elle mène au chargement de l’hélicase virale gp40 sur l’origine de réplication de SPP1 dont les brins d’ADN ont été ouverts par la protéine de liaison à l’origine, gp38. Le réplisome bactérien est ensuite recruté de manière massive au sein de l’usine de réplication formant un foyer défini dans le cytoplasme bactérien. L’interaction de gp40 avec les protéines cellulaires DnaX et DnaG assure fort probablement le recrutement du complexe cellulaire au foyer de réplication. La quantité d’ADN viral synthétisée représente presque 500 copies d’ADN viral par bactérie après 30 minutes d’infection, ce qui est équivalent à la taille de 5 génomes de B. subtilis. Des études de FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) montrent que l’usine de réplication est très dynamique. Ce comportement est inhibé par la présence de HPUra montrant qu’il dépend de la présence d’un réplisome actif.Les concatémères résultant de la réplication de l’ADN viral sont le substrat pour l’encapsidation du génome de SPP1 dans des procapsides préformées. La maturation de ces procapsides en particules virales infectieuses suit une voie d’assemblage spécifique. Deux protéines rapportrices de différentes étapes de cette voie ont été suivies : la protéine d’échafaudage gp11, présente à l’intérieur de la procapside avant encapsidation de l’ADN, et la protéine auxiliaire gp12, qui se fixe à la surface de la capside pendant l’encapsidation. Les procapsides colocalisent partiellement avec l’usine de réplication du génome viral. Après encapsidation de l’ADN, les capsides vont s’accumuler dans des foyers de stockage qui ont une localisation indépendante du foyer de réplication. Cette organisation est également observée dans des bactéries très allongées où deux régions de stockage sont retrouvées situées de part et d’autre de l’usine de réplication mais éloignées des pôles cellulaires. La microscopie électronique combinée à des immuno-marquages révèlent que cette compartimentation corrèle avec une réorganisation majeure de l’ultrastructure du cytoplasme bactérien.L’assemblage et la dynamique des foyers viraux dans la bactérie ont été suivis pendant toute la durée du cycle viral dans un système de microfluidique. Elle montre que les étapes de réplication de l’ADN viral et la formation de la particule du phage sont des processus compartimentés dans le cytoplasme de la bactérie tant spatialement que temporellement. Bien que la croissance cellulaire soit retardée, les bactéries continuent de s’allonger et de se diviser pendant l’infection par SPP1. Le virus exploite donc de manière efficace les machineries cellulaires et l’architecture de la bactérie pour une multiplication optimale. Ces stratégies sont probablement utilisées par de nombreux phages pour remodeler la cellule bactérienne à leur avantage. / During the co-evolution of viruses and cells, viruses exploited numerous ways to hijack cell machineries for their optimal multiplication and dissemination. Phage infection is a major challenge to bacteria, exploiting extensively cellular biosynthetic ressources and possibly re-organizing the cytoplasm space. The work in this thesis investigated the cellular impact of infection by SPP1, a well-characterized model tailed bacteriophage that infects the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis.Viral DNA replication is initiated by early phage proteins whose activity culminates in loading of the SPP1 helicase gp40 at the melted phage origin of replication. The bacterial replisome is then massively recruited to the phage replication factory that is localized at a defined position of the cytoplasm. The interaction of gp40 with its two cellular partners DnaX and DnaG mediates most likely the hijacking of the B. subtilis replication machinery. More than 500 copies of the viral genome are synthesized within 30 minutes after initiation of infection, which is roughly the equivalent to five B. subtilis genomes. FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) experiments showed that the viral DNA factory is highly dynamic, a behavior that depends on active DNA replication.The concatemers resulting from DNA replication are the substrate for encapsidation of the SPP1 genome into preformed procapsids. Maturation of procapsids to infectious viral particles follows a defined pathway. The SPP1 scaffolding protein gp11, that occupies the interior of the procapsid before DNA packaging, and gp12, that binds to capsids during DNA packaging, were followed to dissect the steps of this process. Procapsids partially co-localize with DNA replication factories. After packaging the DNA-filled capsids fully segregate to spatially distinct warehouses where viral particles accumulate. Recruitment of SPP1 proteins to these compartments recapitulates the sequential order of their assembly to build the viral particle. The replication factory is most frequently flanked by two warehouses. Such pattern is also observed in very elongated cells where the viral compartments remain localized nearby each others and far from the bacterial poles. Immuno-electron microscopy of cryo-sections from infected cells highlights a complete remodelling of the bacterial cytoplasm dedicated to virus multiplication.The assembly and dynamics of the SPP1 replication factory and virions warehouses were visualized during the complete phage infection cycle in microfluidics experiments. The viral compartments are well individualized in the cytoplasm both in terms of space and time. Although bacterial growth is retarded, cells continue to elongate and to divide during SPP1 infection. Structuration of viral factories appears as a very efficient way for SPP1 to exploit bacterial resources and cytoplasmic space to optimize its multiplication. This strategy might be widely used by phages for remodelling the bacterial cell.

Nous présentons dans la première partie du document une étude portant sur l'imagerie de temps de vie de fluorescence sur structures dynamiques dans le domaine de fréquence (FD FLIM). Une mesure en FD FLIM est définie par une série d'images présentant une variation d'intensité sinusoïdale. La variation d'un temps de vie se traduit par une variation dans la phase de la sinusoïde décrite par l'intensité. Notre étude comporte deux contributions principales: une modélisation du processus de formation de l'image et du bruit inhérent au système d'acquisition (capteur ICCD) ; une méthode robuste d'estimation du temps vie sur des structures mobiles et des vésicules intracellulaires. Nous présentons ensuite une étude en microscopie de fluorescence portant sur la quantification du transport hétérogène dans un environnement intracellulaire dense. Les transitions entre la diffusion Brownienne dans le cytoplasme et les transports actifs supportés par le cytosquelette sont en effet des scénarios très couramment observés dans des cellules vivantes. Nous montrons que les algorithmes classiques de suivi d'objets nécessaires dans ce contexte, ne sont pas conçus pour détecter les transitions entre ces deux types de mouvement. Nous proposons donc un nouvel algorithme, inspiré de l'algorithme u-track [Jaqaman et al., 2008], qui s'appuie sur plusieurs filtrages de Kalman adaptés à différents types de transport (Brownien, Dirigé ...), indépendamment pour chaque objet suivi. Nous illustrons sur séquences simulées et expérimentales (vimentine, virus) l'aptitude de notre algorithme à détecter des mouvements dirigés rares. / We propose in this manuscript a study of the instrumentation required for the quantification in frequency domain fluorescence lifetime imaging microscopy (FD FLIM). A FD FLIM measurement is defined as a series of images with sinusoidal intensity variations. The fluorescence lifetime is defined as the nanosecond-scale delay between excitation and emission of fluorescence. We propose two main contributions in the area: a modeling of the image process and noise introduced by the acquisition system (ICCD sensor); a robust statistical method for lifetime estimation on moving structures and intracellular vesicles. The second part presents a contribution to the tracking of multiple particles presenting heterogeneous transports in dense conditions. We focus here on the switching between confined diffusion in the cytosol and motor-mediated active transport in random directions. We show that current multiple model filtering and gating strategies fail at estimating unpredictable transitions between Brownian and directed displacements. We propose a new algorithm, based on the u-track algorithm [Jaqaman et al., 2008], based on a set of Kalman filters adapted to several motion types, for each tracked object. The algorithm has been evaluated on simulated and real data (vimentin, virus) data. We show that our method outperforms competing methods in the targeted scenario, but also on more homogeneous types of dynamics challenged by density.

Avec près de 30 millions de morts depuis le début de la pandémie, l’infection par le VIH est un véritable fléau à l’échelle mondiale, surtout en Afrique sub-saharienne. Dans ce contexte, disposer d’une formulation microbicide efficace, facile à administrer par la voie vaginale, représenterait un outil de prévention idéal pour lutter contre cette pandémie. Ainsi, la conception rationnelle de telles formulations représente un enjeu majeur de santé publique.Ce travail décrit la recherche de formulations thermogélifiantes et mucoadhésives à base de pluronics et d’hydroxypropyl méthylcellulose (HPMC). Outre la caractérisation de leurs propriétés rhéologiques et d’adhésion, ainsi que des études en culture cellulaire suggérant une très faible toxicité de contact, ces hydrogels ont montré d’une part, leur capacité à véhiculer efficacement le peptide M48U1 (équipe L. Martin, CEA) destiné à bloquer l’entrée cellulaire du VIH et d’autre part à ralentir considérablement la diffusion de nanoparticules modèles mimant les particules virale matures du VIH-1, en comparaison d’hydrogel d'hydroxy éthylcellulose (HEC) fréquemment utilisés dans divers essais cliniques infructueux et aussi au mucus cervico-vaginal de macaque. L’ensemble des résultats suggère donc la capacité de ces formulations à constituer une double barrière, physique et pharmacologique, protectrice de la muqueuse vaginale vis-à-vis du VIH. / With nearly 30 million deaths since the start of the pandemic, HIV infection is a major problem globally, especially in sub-Saharan Africa. In this context, have an effective microbicide formulation, easily administered by the vaginal route, would be a great prevention tool to fight against this pandemic. Thus, the rational design of such formulations is a major issue of public health.This paper describes research of mucoadhesive and thermogelling formulations based on pluronics and hydroxypropyl methylcellulose (HPMC). Further characterization of their rheological properties and adhesion, and cell culture studies suggesting a very low contact toxicity, these hydrogels showed on one hand, their ability to effectively convey the peptide M48U1 (L. Martin team, CEA) for blocking the entry of HIV cellular and on the other hand to considerably slow down the diffusion of nanoparticles models mimicking viral particles mature HIV-1, compared to hydroxy ethylcellulose hydrogel (HEC) commonly used in various unsuccessful clinical trials and also in cervico-vaginal mucus of macaque. The overall results therefore suggest the ability of these formulations constitute a double barrier, physical and pharmacological, protective of the vaginal mucosa from the HIV.

Le cortex cérébral primate a subi des modifications majeures pendant l'évolution qui ont permis le développement de fonctions cognitives supérieures. Un accroissement massif a eu lieu avec l'extension spécifique des couches supragranulaires et une forte expansion tangentielle. Le cortex primate ne possède pas uniquement davantage de neurones, comparé au rongeur, mais aussi des différences qualitatives. Ceci suggère des différences qualitatives pendant le développement du cortex.Une zone proliférative corticale supplémentaire a été identifiée chez le singe macaque: la zone subventriculaire externe (OSVZ) supposée être impliquée dans l'expansion du cortex primate. Mais les propriétés des précurseurs de l'OSVZ restent mal connues. Des techniques de microscopie en temps réel et d'immunofluorescence ont permis de réaliser une description exhaustive des précurseurs de l'OSVZ et de leurs propriétés chez le singe macaque.Nos résultats mettent en évidence des différences primates/rongeurs majeures. Les observations en temps réel révèlent des capacités prolifératives bien plus importantes des précurseurs. Les précurseurs primates de l'OSVZ présentent des taux de prolifération variables pendant la corticogenèse liés à la cinétique du cycle cellulaire. Nos enregistrements ont permis la génération d'une grande base de données de propriétés et lignages de précurseurs et la mise en évidence d’une diversité morphologique inattendue. 5 types ont été identifiés. Impliqués dans des lignages complexes, chaque type a la capacité de s'auto-renouveler et de générer directement des neurones. Parallèlement, nous avons développé une méthode de classification non supervisée des précurseurs corticaux. Cette technique a identifié les mêmes 5 types de précurseurs.Les résultats de cette thèse apportent de nouveaux éléments dans la compréhension des spécificités de la corticogenèse primate qui contribuent à l'expansion corticale et au développement de capacités cognitives supérieures. / The primate cerebral cortex underwent major modifications during evolution that enabled the development of high cognitive functions. A massive enlargement occurred with the specific expansion of the supra granular layers and the apparition of new frontal areas. Not only quantitative differences are found compared to the rodent but also qualitative differences. This points to potential qualitative differences in primate cortical development. An extra proliferating zone had already been identified during macaque corticogenesis: the outer subventricular zone (OSVZ). This zone is assumed to play a key role in the expansion of the primate cortex but the cellular and functional properties of OSVZ precursors remain elusive. We used quantitative long-term time-lapse video-microscopy (TLV) and immunofluorescence in and ex vivo to perform a detailed and exhaustive description of OSVZ precursor types and proliferative abilities at different stages of macaque cortical development. Our results highlight major rodent/primate differences. TLV observations revealed a much higher proliferative potential of OSVZ compared to the rodent SVZ. We report variable rates of proliferation linked to cell-cycle duration in a stage-specific manner. TLV recordings allowed the formation of a large database of primate precursor properties and lineages. This dataset unravelled an unexpectedly high diversity of OSVZ precursor morphologies. Five precursor types were identified. Involved in complex lineages, each precursor type can self-renew and directly generate neurons. In a parallel approach, we developed an unbiased clustering tool to automatically classify cortical precursors. This technique returned the same five precursor types as the morphological categorization. The results of this PhD thesis provide new insights into primate specificities during corticogenesis that contribute to cortical expansion and to the development of higher cognitive abilities.

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