Les inhibiteurs de la protéase (PI) du virus de l'immunodéficience humain (VIH) doivent, pour être actifs, pénétrer à l'intérieur des cellules cibles du VIH, comme les lymphocytes et être présents à des concentrations suffisantes au niveau de la protéase virale.<br /> <br />Certaines protéines d'efflux pourraient diminuer les concentrations intracellulaires d'IP. Ce travail étudie la pharmacocinétique intracellulaire des IP et leurs mécanismes de transfert à travers la membrane cellulaire à l'aide de modèles cellulaires.<br /> <br />Les IP pénètrent dans la cellule par diffusion passive et s'accumulent par fixation aux protéines cytosoliques.<br />Nous avons également étudié l'expression de la P-glycoprotéine à l'aide de cellules mononucléées du sang périphérique de patients infectés par le VIH et traités par des multithérapies antivirales à base d'IP.

La première partie de ma thèse est une revue donnant un aperçu du répertoire génomique des bactéries intracellulaires et de leurs symbiotes. L'objectif de cette étude est d'explorer le processus permettant aux bactéries intracellulaires d'acquérir leur mode de vie spécifique. Nous avons commencé par examiner les données à propos de l'existence ancienne de bactéries intracellulaires, leur adaptation à leur hôte et les différences entre sympatrie et allopatrie. Une comparaison du contenu génomique de plusieurs bactéries avec différents modes de vie a révélé la capacité des bactéries à échanger des gènes à des degrés différents, en fonction de l'écosystème. La deuxième partie de ma thèse porte sur la séquence du génome de la souche Diplorickettsia massiliensis 20B qui est une bactérie intracellulaire obligatoire à Gram négatif isolée à partir des tiques de Slovaquie Ixodes ricinus. Dans ma troisième et dernière partie, nous exploré le répertoire du génome de Diplorickettsia massiliensis en le comparant aux génomes de bactéries phylogénétiquement très proches de Diplorickettsia massiliensis, issues de différentes niches. Ceci a permis de révélé son mode de vie allopatrique. Dans cette étude, nous avons comparé les caractéristiques du génome de Diplorickettsia massiliensis avec vingt-neuf espèces séquencées de Gammaproteobacteria (Legionella, Coxiella burnetii, Francisella tularensis et Rickettsiella grylli) en utilisant l'approche pangénomique multi-genre. Ce travail de thèse fournit des données originales et permet d’apporter plus de lumière sur la diversité des bactéries intracellulaires. / The initial purpose of my thesis is to understand with the help of comparative genomics, genomic variations based on coexistence, by examining data on the ancient existence of intracellular bacteria, their host adaptation and the differences between sympatry and allopatry. The first part of my thesis is a review giving insight into intracellular bacterial genome repertoire and symbionts. The goal of this review is to explore how intracellular microbes acquire their specific lifestyle. Due to their different evolutionary trajectories, these bacteria have different genomic compositions. We reviewed data on the ancient existence of intracellular bacteria, their host adaptation and the differences between sympatry and allopatry. A comparison of the genomic contents of bacteria with certain lifestyles revealed the bacterial capacity to exchange genes to different extents, depending on the ecosystem. The second part of my thesis present about the genome sequence of Diplorickettsia massiliensis strain 20B which is an obligate intracellular, gram negative bacterium isolated from Ixodes ricinus ticks collected from Slovak. In the third part, we investigated the genome repertoire of Diplorickettsia massiliensis compared to closely related bacteria according to its niche, revealing its allopatric lifestyle. In this study, we compared the genomic features of Diplorickettsia massiliensis with twenty-nine sequenced Gammaproteobacteria species (Legionella strains, Coxiella burnetii strains, Francisella tularensis strains and Rickettsiella grylli) using multi-genus pangenomic approach. This thesis work provides original data and sheds light on intracellular bacterial diversity.

Le traitement des infections intracellulaires est compliqué par la capacité des bactéries à «se cacher» à l’intérieur des cellules de l’hôte, en particulier celles du système immunitaire, entravant ainsi l’action de nombreux agents antimicrobiens. La diffusion croissante de souches résistantes est très inquiétante. Dans ce cadre, les nanoparticules (NPs) constituent une stratégie prometteuse pour administrer de manière optimisée des agents antimicrobiens.Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre du projet européen ITN Cyclon Hit, visait à développer et caractériser des NPs biodégradables et biocompatibles chargées en antibiotiques, composés d’acide polylactique (PLA), d’acide poly (lactique-co-glycolique) (PLGA) et de polycaprolactone (PCL) ou de cyclodextrines polymérisées (pCD).Les deux premiers chapitres sont consacrés aux verrous technologiques liés à l'encapsulation de certains médicaments puissants dans les NPs polymériques. Tout d'abord, ces vecteurs ont été utilisés pour la délivrance simultanée d'une combinaison de molécules actives récemment découverte, l'éthionamide (ETH) et son Booster, pour le traitement de la tuberculose. Deuxièmement, ils ont été employés pour relever les défis liés à l'incorporation d'une quinolone de première génération, l'acide pipémidique (PIP), dans le but d'optimiser sa distribution intracellulaire dans des infections telles que la salmonellose.La co-incorporation efficace de l'ETH et du booster a dû surmonter de nombreuses difficultés liées à des problèmes de solubilité, de cristallisation et de biodisponibilité. Nos NPs en PLA et en pCD ont montré leur capacité de co-encapsuler efficacement les deux molécules et tout particulièrement celles en pCD. Elles incorporent les médicaments à la fois dans les cavités des CD et dans des microdomaines hydrophobes. Les NPs en pCD, non toxiques après administration pulmonaire répétée de fortes doses, ont été administrés in vivo par voie endotrachéale directement au site d'infection. Elles ont permis une diminution de 3-log de la charge bactérienne pulmonaire des animaux infectés après seulement 6 administrations. De même, l'incorporation de PIP a été confrontée à des défis liés à la cristallisation de PIP et à sa libération incontrôlée. Malheureusement, le PIP présentait une faible affinité pour tous les matériaux polymériques étudiés et son encapsulation physique était infructueuse. Ainsi, une approche alternative a été développée en couplant le PIP au PCL via une réaction sans catalyseur initiée par le médicament. Le conjugué PCL-PIP se auto-assemble en forme de NPs avec une charge en PIP de 27%. Cependant, le PCL-PIP n'a pas pu être dégradé in vitro, mais l’approche de synthèse de conjugués est séduisante pour obtenir de particules stables et avec un contenu important en PIP.La compréhension approfondie de la structure et de la composition du noyau et de la couronne des nanostructures contenant une ou deux molécules actives est cruciale pour leur optimisation. Les deux derniers chapitres sont donc consacrés à l'application innovante de l'AFM-IR, une méthode nanospectroscopique originale combinant la microscopie à force atomique (AFM) avec la spectroscopie infrarouge (IR), à l'analyse chimique des NPs en PLGA ou à leur détection sans marquage après internalisation dans les cellules.L’AFM-IR est capable de fournir une caractérisation chimique à l'échelle nanométrique (résolution ~10 nm). Une avancée majeure du travail est l'application du mode tapping permettant l'investigation individuelle de chaque NP. Le signal IR spécifique des composants des NPs a été utilisé pour appréhender la composition chimique de leur cœur et couronne ainsi que pour localiser précisément le médicament. De plus, l'AFM-IR en mode contact a permis pour la première fois la localisation sans marquage et l'identification chimique des NP à l'intérieur des cellules. Ce travail ouvre la voie à d'innombrables applications de cette technique dans le domaine de la nanomedecine. / The treatment of intracellular infections is very challenging given the ability of bacteria to “hide” inside the cells of the host, especially the ones of the immune system, thus hampering the action of many antimicrobial agents. The battle against these bacteria has been further exacerbated by the increasing diffusion of antimicrobial resistant strains. In this frame, nanoparticles (NPs) are a very promising strategy to overcome the limitations of free antimicrobial agents by administering them in an optimized manner.This PhD work, performed as part of the European Project ITN Cyclon Hit, aimed at the development and advanced characterisation of antibiotic-loaded biodegradable and biocompatible NPs made of poly (lactic acid) (PLA), poly (lactic-co-glycolic) (PLGA) and polycaprolactone (PCL) or of polymerised cyclodextrins (pCDs).The first two chapters are dedicated to the encapsulation of powerful but challenging drugs in polymeric NPs. Firstly, these carriers were employed for the simultaneous delivery of a potent drug combination recently discovered, ethionamide (ETH) and its booster, for tuberculosis therapy. Secondly, they were used to address the challenges related to the incorporation of a first-generation quinolone, pipemidic acid (PIP), with the aim of optimising its intracellular delivery in infections such as salmonellosis.The efficient co-incorporation of ETH and booster had to overcome several technological barriers. These drugs presented solubility, crystallisation and bioavailability-related problems which were overcome thanks to the developed NPs. Our engineered PLA and pCD NPs were both able to efficiently co-encapsulate the two molecules. Among the in depth-characterised formulations, pCDs NPs displayed the best physico-chemical properties and were shown to host the drugs both in the CD cavities and in confined spaces inside NPs crosslinked polymer. The pCD NPs were administered in vivo by endotracheal route directly to the infection site. Empty NPs were shown non-toxic after repeated pulmonary administration of high doses. Moreover, loaded pCD NPs led to a 3-log decrease in the pulmonary bacterial load of infected animals after only 6 administrations. Similarly, the incorporation of PIP faced challenges mainly related to PIP crystallization and burst release. Unfortunately, PIP displayed poor affinity for all the studied polymeric materials and its physical encapsulation was unsuccessful. Thus, an alternative approach was developed by coupling PIP to PCL by using an original catalyst-free drug-initiated reaction. The PCL-PIP conjugate self-assembled in NPs with up to 27 wt% PIP which were thoroughly characterised. However, the conjugate couldn’t be enzymatically degraded. With the design of novel PCL-PIP conjugates, this self-assembly approach could represent a promising strategy.The deep understanding of the structure and composition of complex core-corona nanocarriers containing one or two active molecules is crucial for their optimisation. The last two chapters are devoted to the innovative application of AFM-IR, an original nanospectroscopic method combining atomic force microscopy (AFM) with infrared (IR) spectroscopy, to the chemical analysis of PLGA NPs or to their label-free detection after cell internalisation.AFM-IR is able to provide chemical characterisation at the nanometer scale (resolution ~10nm). One main breakthrough here is the application of the recently developed tapping mode allowing the investigation of single polymeric NPs. The specific IR signal of NPs constituents was used to unravel the chemical composition of their core and corona as well as to precisely locate the drug. Moreover, the AFM-IR in contact mode enabled for the first time the label-free localisation and unambiguous chemical identification of NPs inside cells using the polymer IR specific response as a fingerprint. This work paves the way for countless application of this technique in the field of drug delivery.

Listeria monocytogenes est l'agent étiologique de la listériose, une infection d'origine alimentaire peu fréquente mais avec un taux de mortalité de 25% chez l'homme. Nous avons d'abord caractérisé un mutant ferritine et montré l'importance du produit de ce gène dans la virulence, la résistance à des conditions de carence en fer et de stress thermique ou oxydatif. Nous nous sommes ensuite intéressés à la biodiversité de L. monocytogenes, par une approche protéomique, en étudiant 12 souches d'origines, de sérovars et de niveaux de virulence variés. Sur la base des profils des protéines intracellulaires et sécrétées, une classification hiérarchique a montré deux groupes distincts, l'un comprenant les souches de sérovar 1/2a, l'autre les souches de sérovar 4b et 1/2b. Des spots protéiques spécifiques de chaque souche et des différents sérovars ont été identifiés par spectrométrie de masse MALDI-TOF avec pour objectif de mieux hiérarchiser et gérer le risque dû à L. monocytogenes.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La surexpression de pompes d’efflux par les cellules cancéreuses permet l’élimination d’agents cytotoxiques, induisant alors une résistance à la chimiothérapie. Trois transporteurs ABC sont principalement impliqués dans cette résistance : ABCB1 (aussi appelé P-gp), ABCC1 (ou MRP1) et ABCG2 (ou BCRP, MXR, ABCP). Du fait de leur implication dans le phénotype de « MultiDrug Resistance », il est essentiel de mieux comprendre le fonctionnement de ces transporteurs. Une étude par mutagenèse dirigée a montré que les boucles intracellulaires, ICL0 et ICL1 sont impliquées dans le transport des substrats. Deux résidus sont particulièrement intéressants : W379 qui agirait comme un filtre des substrats ; et H457 qui participerait à la reconnaissance ou à la fixation des substrats. Par ailleurs, il est important de moduler cette chimiorésistance. Dans ce contexte nous avons développé une nouvelle classe d’inhibiteurs d’ABCB1 et ABCG2 non compétitifs basés sur un motif dipeptidique. Les composés les plus efficaces, CT1347 pour ABCB1 et CT1364 pour ABCG2, s’avèrent, d’une part peu ou pas cytotoxiques à fortes concentrations, abolissent d’autre part la résistance induite par ABCB1 ou ABCG2 et se comportent comme des inhibiteurs non compétitifs du Hoechst 33342 et de la daunorubicine. De plus, CT1364 inhibe l’activité ATPasique d’ABCG2 et induit une diminution rapide de l’expression de la protéine. Enfin, les 1ers tests in vivo de ce composé montrent que l’association avec l’irinotécan ralentit la croissance des xénogreffes de petite taille chez des souris / Resistance to chemotherapy is partly due to efflux pumps expressed in the plasma membrane which prevent the accumulation of anticancer drugs in the tumour cells. Three human ATP-binding Cassette (ABC) transporters are particularly involved in this phenotype: P-gp/ABCB1, MRP1/ABCC1, and the last discovered BCRP/ABCG2. Because of their involvement in chemoresistance, it is critical to understand the mechanism by which those ABC transporters recognize and transport drugs. The mutagenesis study of the intracellular loops, ICL0 and 1 shows that these loops are involved in this mechanism. Two amino acids were particularly remarkable: W379 which act as a substrate filter and H457 which can be involved in substrate recognition and binding. In order to restore the cancer cell sensitivity to chemotherapeutic drugs, we have developed a new class of peptide inhibitors, specific to one transporter. A structure-activity relationship study has been performed and made it possible to develop a second generation of molecules. The most efficient compound inhibiting ABCB1 (CT1347) or ABCG2 (CT1364) have none or limitated cytotoxic effects. These compounds restore the activity of chemotherapeutic drugs and act as non competitive inhibitors. Moreover, CT1364 inhibits the ATP hydrolysis activity and lead to a rapid reduction of ABCG2 expression. Initial in vivo tests that have been carried out with CT1364 associated with irinotecan allow to observe a growth reduction of small mice xenografts

Le remodelage cardiaque est le processus par lequel la structure ou la fonction cardiaque change en réponse à un déséquilibre pathophysiologique tel qu'une maladie cardiaque, un contexte d'arythmie prolongée ou une modification de l'équilibre hormonal. Le système rénine-angiotensine (SRA) est un système hormonal largement étudié et il est impliqué dans de nombreuses activités associées au remodelage cardiovasculaire. L’existence d'un système circulatoire couplé à un système de tissus locaux est une représentation classique, cependant de nouvelles données suggèrent un SRA indépendant et fonctionnellement actif à l'échelle cellulaire. La compréhension de l'activité intracellulaire du SRA pourrait mener à de nouvelles pistes thérapeutiques qui pourraient prévenir un remodelage cardiovasculaire défavorable. L'objectif de cette thèse était d'élucider le rôle du SRA intracellulaire dans les cellules cardiaques. Récemment, les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), les protéines G et leurs effecteurs ont été détectés sur des membranes intracellulaires, y compris sur la membrane nucléaire, et les concepts de RCPG intracellulaires fonctionnels sont en voie d'être acceptés comme une réalité. Nous avons dès lors fait l'hypothèse que la signalisation du SRA délimitant le noyau était impliquée dans le contrôle de l'expression des gènes cardiaques. Nous avons démontré la présence de récepteurs d'angiotensine de type-1 (AT1R) et de type-2 (AT2R) nucléaires dans les cardiomyocytes ventriculaires adultes et dans une fraction nucléaire purifiée de tissu cardiaque. Des quantités d'Ang II ont été détectées dans du lysat de cardiomyocytes et des microinjections d'Ang-II-FITC ont donné lieu à des liaisons préférentielles aux sites nucléaires. L'analyse transcriptionnelle prouve que la synthèse d'ARN de novo dans des noyaux isolés stimulés à l'Ang-II, et l'expression des ARNm de NF-κB étaient beaucoup plus importants lorsque les noyaux étaient exposés à de l'Ang II par rapport aux cardiomyocytes intacts. La stimulation des AT1R nucléaires a engendré une mobilisation de Ca2+ via les récepteurs de l'inositol trisphosphate (IP3R), et le blocage des IP3R a diminué la réponse transcriptionnelle. Les méthodes disponibles actuellement pour l'étude de la signalisation intracrine sont limitées aux méthodes indirectes. L'un des objectifs de cette thèse était de synthétiser et caractériser des analogues d'Ang-II cellule-perméants afin d’étudier spécifiquement dans les cellules intactes l'activité intracellulaire du SRA. Nous avons synthétisé et caractérisé pharmacologiquement des analogues photosensibles Ang-II encapsulée en incorporant un groupement 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) photoclivable sur les sites actifs identifiés du peptide. Chacun des trois analogues d'Ang II encapsulée synthétisés et purifiés: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB et [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB a montré une réduction par un facteur deux ou trois de l'affinité de liaison envers AT1R et AT2R dans les dosages par liaison compétitive et une activité réduite dans la contraction de l'aorte thoracique. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans des cellules HEK a augmenté la phosphorylation d'ERK1/2 (via AT1R) et la production de cGMP (via AT2R) alors que dans les cardiomyocytes isolés elle générait une augmentation de Ca2+ nucléoplasmique et initiait la synthèse d'ARNr 18S et d'ARNm du NF-κB. Les fibroblastes sont les principaux générateurs de remodelage cardiaque structurel, et les fibroblastes auriculaires sont plus réactifs aux stimuli profibrotiques que les fibroblastes ventriculaires. Nous avons émis l'hypothèse que l’Ang-II intracellulaire et l'activation des AT1R et AT2R nucléaires associés contrôlaient les profils d'expression des gènes des fibroblastes via des systèmes de signalisation distincts et de ce fait jouaient un rôle majeur dans le développement de la fibrose cardiaque. Nous avons remarqué que les fibroblastes auriculaires expriment l’AT1R et l’AT2R nucléaire et l'Ang-II au niveau intracellulaire. L’expression d'AT1R nucléaire a été régulés positivement dans les cas d’insuffisance cardiaque (IC), tandis que l'AT2R nucléaire a été glycosylé post-traductionnellement. La machinerie protéique des protéines G, y compris Gαq/11, Gαi/3, et Gβ, a été observée dans des noyaux isolés de fibroblastes. AT1R et AT2R régulent l'initiation de la transcription du fibroblaste via les voies de transduction de signal d'IP3R et du NO. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans une culture de fibroblastes auriculaire déclenche la libération de Ca2+ nucléoplasmique, la prolifération, et la synthèse et sécrétion de collagène qui ne sont pas inhibées par les bloqueurs d'AT1R et/ou AT2R extracellulaires. / Cardiac remodelling is the process by which cardiac structure and/or function change in response to pathophysiological imbalances such as hypertension, cardiac disease, prolonged arrhythmia or altered hormonal balance. The renin-angiotensin system (RAS) is an extensively studied hormonal system involved in numerous processes associated with cardiovascular remodelling. Classically viewed as a circulating and a local tissue system, emerging evidence suggests an independent and functionally active RAS within individual cells. Understanding intracellular RAS actions might lead to new therapeutic avenues that could prevent adverse cardiac remodelling. The purpose of this thesis was to elucidate the role of intracellular RAS in cardiac cells. Recently, G protein-coupled receptors (GPCRs), G proteins, and their downstream effectors have been detected on intracellular membranes, including the nuclear membrane, and the concept of functional intracellular GPCRs is slowly being accepted as a reality. We therefore hypothesized that nuclear-delimited angiotensin II (Ang-II) signalling is involved in controlling cardiac gene expression. We demonstrated the presence of nuclear angiotensin-type 1 (AT1R) and angiotensin-type 2 (AT2R) receptors in adult ventricular cardiomyocytes and in a purified nuclear preparation from cardiac tissue. Ang-II was detected in cardiomyocyte lysate and microinjected Ang-II-FITC preferentially bound to nuclear sites. Transcriptional analysis demonstrated that Ang-II enhanced de novo RNA synthesis in isolated nuclei and NF-κB mRNA expression was much greater when nuclei were exposed to Ang-II. Nuclear AT1R-stimulation produced Ca2+ mobilization via nuclear inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R) Ca2+-channels, and IP3R-blockade attenuated the AT1R-mediated transcriptional responses in isolated nuclei. Current methods available to study intracrine RAS signalling are limited to indirect methodologies because of a lack of selective intracellularly-acting probes. An aim of this thesis was to synthesize and characterize cell-permeant Ang-II analogues to probe intracellular RAS action with spatial and temporal precision. Using solid-phase peptide technology we synthesized and pharmacologically characterized light-sensitive caged Ang-II analogues. This was achieved by incorporating a photocleavable 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) moiety on sites of Ang-II responsible for receptor recognition and activation. All of the three synthesized and purified caged-Ang-II analogues: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB and [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB, showed two-to-three orders of magnitude reduced binding affinity towards the AT1R and AT2R in competition binding assays and reduced potency in contraction assays using thoracic aorta. Photolysis of [Tyr(DMNB)4]Ang-II in HEK cells increased ERK1/2 phosphorylation (via AT1R) and cGMP production (via AT2R) whereas in isolated cardiomyocytes it induced an increase in nucleoplasmic Ca2+ and increased the abundance of 18S rRNA and NF-κB mRNA. Fibroblasts are the main drivers of cardiac structural remodelling. Atrial fibroblasts are more responsive to pro-fibrotic stimuli than ventricular fibroblasts. We hypothesized that intracellular Ang-II and associated nuclear AT1R and AT2R activation control fibroblast gene-expression patterns via discrete signalling systems and thereby play a key role in cardiac fibrosis. Atrial fibroblasts were found to express Ang-II, and nuclear AT1R and AT2R. The nuclear localisation of AT1R was increased in fibroblasts isolated from failing hearts whereas nuclear AT2R showed alterations in glycosylation. Heterotrimeric G protein subunits including Gαq/11, Gαi/3, and Gβ were observed in isolated fibroblast nuclei. AT1R and AT2R increased fibroblast transcription initiation via IP3R and NO signal transduction pathways, respectively. Photolysis of [Tyr(DMNB)4]Ang-II in cultured atrial fibroblasts induced an increase in nucleoplasmic Ca2+, proliferation, collagen synthesis and secretion that was not prevented by extracellular AT1R and/or AT2R blockers.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse concernent le développement d’une méthode de caractérisation électrique de cellules biologiques, sans marquage, basée sur la diélectrophorèse Ultra Haute Fréquence (DEP-UHF). Sous l’action d’un champ électrique alternatif non uniforme, les cellules biologiques sont soumises à des forces de déplacement essentiellement liées à leurs propriétés diélectriques. En particulier, aux hautes fréquences, le champ électrique pénètre à l’intérieur de la cellule et interagit donc avec son contenu intracellulaire. Il est donc possible d’accéder à une «signature diélectrophorétique» de la cellule représentative de ses propriétés biologiques internes mais aussi de mécanismes physiologiques tels que l’apoptose ou encore la différenciation. Ce manuscrit présente le développement d’un microsystème innovant, implémenté à partir des couches passives d’une puce BiCMOS et couplé à un réseau microfluidique, pour la caractérisation, à l’échelle cellulaire, par DEP-UHF. Le microsystème développé permet une analyse fine et précise du comportement DEP haute fréquence d’une cellule. Un banc expérimental dédié aux caractérisations cellulaires, capable de générer des signaux hautes fréquences dans la gamme 10 MHz – 1 GHz pour des amplitudes allant jusqu’à 18 Vpp, a été développé. Ces travaux exploratoires ont pour but de démontrer le potentiel de discrimination de cette méthode entre différentes lignées cellulaires cancéreuses humaines à des stades tumoraux différents, dans l’objectif de développer de nouveaux outils d’aide au diagnostic. L’existence de différences significatives entre les signatures de certains types cellulaires ouvre des perspectives très intéressantes notamment pour le développement d’outils de tri cellulaire originaux basés uniquement sur les propriétés diélectriques intracellulaires. / The work presented in this dissertation concerns the development of an original label-free electrical characterization method dedicated to biological cells based on Ultra High Frequency dielectrophoresis (DEP-UHF). Under the action of a non-uniform alternative electric field, the biological cells are subjected to displacement forces related to their own dielectric properties. In particular, at high frequencies, the electric field penetrates inside the cell and thus interacts with its intracellular content. Therefore, it is possible to access to a «dielectrophoretic signature» of the cell that it is representative of its internal biological properties but also of physiological mechanisms such as apoptosis or differentiation. This dissertation presents the development of an innovative microsystem, implemented in the passive layer stack of a BiCMOS chip and associated with microfluidic, dedicated to biological characterization, at the cellular level. The developed microsystem allows an accurate analysis of a single cell DEP-UHF behaviour. An experimental bench, dedicated to cell characterization, and able to generate high frequency signals from 10 MHz to 1 GHz up to 18 Vpp magnitude, has been also developed accordingly. Actually, the led exploratory work achieved was focused on evaluating the discrimination potential of this method between different human cancer cells at different tumor stages with the objective to envision new kind of diagnostic tools. Finally, the existence of significant differences between the signatures of different cell types leads to very interesting perspectives, particularly for the development of new cell sorting tools based especially on the intracellular dielectric properties.

L'adaptation à l'environnement est essentielle à la survie cellulaire et des organismes en général. La capacité d'adaptation aux variations en oxygène repose sur des mécanismes de détection de l'hypoxie et une capacité à répondre en amorçant un programme d'angiogenèse. Bien que la contribution du facteur induit par l'hypoxie (HIF) est bien définie dans l'induction d'une telle réponse, d'autres mécanismes sont susceptibles d'être impliqués. Dans cette optique, les études démontrant l'influence du métabolisme énergétique sur le développement vasculaire sont de plus en plus nombreuses. L'un de ces composés, le succinate, a récemment été démontré comme étant le ligand du GPR91, un récepteur couplé aux protéines G. Parmi les différents rôles attribués à ce récepteur, notre laboratoire s'intéressa aux rôles du GPR91 dans la revascularisation observée suite à des situations d'hypoxie dont ceux affectant la rétine. Il existe cependant d'autres conditions pour lesquelles une revascularisation serait bénéfique notamment suite à un stress hypoxique-ischémique cérébral. Nos travaux ont pour objectifs de mieux comprendre le rôle et le fonctionnement de ce récepteur durant le développement et dans le cadre de pathologies affectant la formation de vaisseaux sanguins. Dans un premier temps, nous avons déterminé le rôle du GPR91 dans la guérison suite à un stress hypoxique-ischémique cérébral chez le nouveau-né. Nous montrons que ce récepteur est exprimé dans le cerveau et en utilisant des souris n'exprimant pas le GPR91, nous démontrons que dans un modèle d'hypoxie-ischémie cérébrale néonatal l'angiogenèse prenant place au cours de la phase de guérison dépend largement du récepteur. L'injection intracérébrale de succinate induit également l'expression de nombreux facteurs proangiogéniques et les résultats suggèrent que le GPR91 contrôle la production de ces facteurs. De plus, l'injection de ce métabolite avant le modèle d'hypoxie-ischémie réduit substantiellement la taille de l'infarctus. In vitro, des essaies de transcription génique démontrent qu'à la fois les neurones et les astrocytes répondent au succinate en induisant l'expression de facteurs bénéfiques à la revascularisation. En considérant le rôle physiologique important du GPR91, une seconde étude a été entreprise afin de comprendre les déterminants moléculaires régissant son activité. Bien que la localisation subcellulaire des RCPG ait traditionnellement été considérée comme étant la membrane plasmique, un nombre de publications indique la présence de ces récepteurs à l'intérieur de la cellule. En effet, tel qu'observé par microscopie confocale, le récepteur colocalise avec plusieurs marqueurs du réticulum endoplasmique, que celui-ci soit exprimé de façon endogène ou transfecté transitoirement. De plus, l’activation des gènes par stimulation avec le succinate est fortement affectée en présence d'inhibiteur du transport d'acides organiques. Nous montrons que le profil de facteurs angiogéniques est influencé selon la localisation ce qui affecte directement l'organisation du réseau tubulaire ex vivo. Finalement, nous avons identifié une région conservée du GPR91 qui agit de signal de rétention. De plus, nous avons découvert l'effet de l'hypoxie sur la localisation. Ces travaux confirment le rôle de régulateur maître de l'angiogenèse du GPR91 lors d'accumulation de succinate en condition hypoxique et démontrent pour la première fois l'existence, et l'importance, d'un récepteur intracellulaire activé par un intermédiaire du métabolisme. Ces données pavent donc la voie à une nouvelle avenue de traitement ciblant GPR91 dans des pathologies hypoxiques ischémiques cérébrales et soulèvent l'importance de tenir compte de la localisation subcellulaire de la cible dans le processus de découverte du médicament. / The ability to adapt to the changing environment is essential for the survival of cells and organisms in general. The capacity to adjust to variations in oxygen content not only relies on the ability to sense hypoxia but also depends the time required to induce an angiogenic process. Notwithstanding the important contribution of the hypoxia inducible factor (HIF) in this response, other mechanisms are likely to be involved. Studies that have demonstrated the influence of metabolic compounds on vascular development are increasingly abundant. One of those compounds, succinate, has recently been indentified as the ligand of GPR91, a G-protein-coupled receptor. Amongst the roles of this receptor, our group has been interested in determining its contribution in revascularisation observed following hypoxic events in the retina. Other pathological conditions could benefit from the contribution of GPR91 including cerebral hypoxia-ischemia. Our objective is to better understand the role of this receptor during development and in pathological conditions affecting blood vessel formation. We first, determined the role of GPR91 in revascularisation following cerebral hypoxia-ischemia in the newborn. We show the expression of the receptor in the cerebral cortex. Using mice devoid of GPR91, we demonstrate that angiogenesis normally taking place during the recovery phase is largely dependent upon GPR91. Intracerebral injection of succinate induces the expression of several proangiogenic growth factors by activating GPR91. Furthermore, injection of succinate before cerebral H-I model substantially reduces the infarct size. In vitro, gene transcription shows that neurons and astrocytes respond to succinate and produce factors beneficial to revascularisation. Considering the important physiological role of GPR91, a second study was initiated to better determine the molecular determinants controlling the receptor's activity. The plasma membrane has classically been considered the typical GPCR's location of action but several new publications indicate the presence of such receptors within the cell. We observe, by confocal microscopy, the colocalisation of GPR91 (endogenous or transfected) with several marker of the endoplasmic reticulum. In addition, the gene induction observed when stimulated with succinate is severely affected in presence of the compound probenicid, an organic anion transporter inhibitor. We also demonstrate that the profile of genes expressed is largely dependent on the localisation of the receptor and consequently affects the organization of the tubular network ex vivo. Finally, we have identified a conserved region of GPR91 that acts as a retention signal. Lastly, we have uncovered the consequence of hypoxia affecting the post-translational modification of GPR91 and its change in location from the ER to the plasma membrane. This work confirms the role of GPR91 as a master regulator of angiogenesis in situations where succinate accumulates and demonstrated for the first time the existence, and importance, of an intracellular receptor activated by a metabolic intermediate. These results pave the way for future treatment targeting GPR91 in cerebral hypoxic ischemic pathologies and demonstrate the importance of taking into account the subcellular localisation in the drug discovery process.

La détection et la caractérisation des nanoparticules manufacturées (NPM) est l’une des premières étapes pour contrôler et diminuer leurs risques potentiels sur la santé humaine et l’environnement. Différents systèmes d’échantillonnage dans l’air existent pour l’évaluation d’une exposition aux NPM. Cependant, ils ne mesurent pas le risque potentiel de cette exposition à la santé humaine ni les mécanismes cellulaires qui en seraient responsables. Nos objectifs de recherche sont 1) Évaluer les effets de différents types de nanoparticules sur des cellules pulmonaires humaines et 2) Identifier de nouveaux mécanismes intracellulaires activés lors de l’exposition à divers types de NPM. Méthodologie: La lignée de cellules A549 a été utilisée. Trois types de NPM ont été étudiés (différentes concentrations et temps d’exposition): les nanoparticules de dioxyde de titane de type anatase (TiO2), les nanotubes de carbone simple paroi (NTCSP) et les nanoparticules de noir de carbone (NC). La viabilité cellulaire a été mesurée par le test MTS, le test PrestoBlue et le test d’exclusion du bleu de Trypan (uniquement pour les NTCSP). La mesure du stress oxydatif a été déterminée par la mesure des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) en utilisant l’essai DCFH-DA. L’activation d’une réponse anti-oxydative a été déterminée par la mesure de la forme réduite (GSH) et oxydée (GSSG) du glutathion, ainsi que du ratio GSH/GSSG (seulement avec NTCSP et TiO2). Résultats: Les trois nanoparticules ne semblent pas être toxiques pour les cellules A549 car il y a une diminution significative mais minime de la viabilité cellulaire. Cependant, elles induisent une augmentation du contenu intracellulaire en ROS qui est à la fois dépendante du temps et de la concentration. Aucun changement dans les concentrations de GSH et GSSG n’a été observé. En conclusion, nos données indiquent que la mesure de la viabilité n’est pas un critère suffisant pour conclure à la toxicité des NPM. La production de ROS est un critère intéressant, cependant il faudra démontrer l’activation de systèmes anti-oxydatifs pour expliquer l’absence de mortalité cellulaire suite à l’exposition aux NPM. / Detection and characterization of manufactured nanoparticles (NPs) is one of the first steps to control and reduce potential risks to human health and the environment. Various sampling schemes in air exist for the evaluation of exposure to NPs. However, they do not measure the potential risk of this exposure to the human health and the cellular mechanisms that are responsible. Our research objectives are 1) To evaluate the effects of different types of nanoparticles on human lung cells and 2) Identify new intracellular mechanisms activated during exposure to various types of NPs. Methodology: The cell line A549 was used. Three types of NPs were studied (different concentrations and exposure time): titanium dioxide nanoparticles of anatase (TiO2), the simple wall carbon nanotubes (SWCN) and black carbon nanoparticles (BC). Cell viability was measured by the MTS assay, the PrestoBlue assay and the Trypan blue due exclusion test (only for the SWCN). To investigate whether the NPs stimulated ROS generation in A549 cels, the intracellular ROS level was measured using the DCFH-DA assay. The potential induction of oxidative stress responses in cells when exposed to TiO2 and SWCN was determined by the quantification of the extracellular levels of reduced (GSH) and oxidized glutathione (GSSG) forms. Results: The three nanoparticles do not appear to be toxic to A549 cells because there is a significant but small decrease in cell viability. However, they induce ROS production which is both time and concentration dependent. No change in the concentrations of GSH and GSSG were observed. In conclusion, our data indicate that measuring the cell viability is not a sufficient criterion for concluding if the NPs are toxic. ROS production is an interesting criterion, however, we have to demonstrate the activation of anti-oxidative systems to explain the absence of cell death following exposure to the NPs.