Par leur stabilité, leur petite taille et leur nature monomérique, les domaines variables des immunoglobulines à chaînes lourdes, ou Nanobodies (Nb), sont incontournables en diagnostic et recherche médicale. Pourtant, leur utilisation en agro-biotechnologies demeure confidentielle.Dans l'idée de les utiliser pour étudier et combattre le Grapevine fanleaf virus (GFLV), responsable de la maladie du court-noué très préjudiciable à l'économie viticole mondiale, j'ai produit une collection de Nb spécifiques du GFLV.Fusionné à une protéine fluorescente et exprimé en plante de façon stable, un de ces Nb (alors appelé Chromobody, Cb) a conféré une haute résistance au GFLV inoculé mécaniquement ou transmis par nématodes.Le potentiel du Cb comme biocapteur a été validé par le suivi in vivo d’un isolat contournant la résistance mais toujours reconnu par le Cb. La structure du complexe Nb/GFLV a été résolue à 2,8 Å et révèle la zone occupée par le Nb à la surface de la capside.Ces résultats ouvrent des perspectives innovantes pour la compréhension du cycle infectieux d'un phytovirus et l'élaboration de nouvelles stratégies de lutte antivirale. / Due to their small size, high stability and strict monomeric nature, Nanobodies (Nbs) deriving from camelids heavy chain only antibodies have proven very valuable as diagnostic and therapeutic tools. However their use in agro biotechnology remains limited.In order to apply Nbs to the study and the control of grapevine fanleaf degeneration, I produced acollection of Nbs against Grapevine fanleaf virus (GFLV), the causal agent of this devastating disease worldwide.When fused to a fluorescent protein and stably expressed in plants, one of these Nbs (calledChromobody, Cb) conferred high resistance to GFLV, whether inoculated mechanically or by vector-mediated transmission.The identification of an isolate overcoming the resistance but still bound by the Cb allowed real-time tracking of the infection showing the high potential of Cbs as biosensors.The cryoEM structure of the Nb/GFLV complex was obtained at 2,8 Å and provides a clear picture of the footprint of the Nb on the surface of the GFLV capsid.These results pave the way for the innovative use of Nbs to unravel viral life cycle and to counter viral diseases.

This diploma thesis deals with the issue of motility analysis in leukemia cells. An accurate description of the cell movement and the detection of differences in motility under experimental conditions can be obtained by quantitative analysis of cell motility using time-lapse recording. The first part of this work describes various types of tumor cell migraton. The second part focuses on methods of analysis of cell motility in tissue culture using time-lapse recording, which include image acquisition and processing. Part of this chapter describes a coherence-controlled holographic microscope, which was used in the practical part and for which an insert was designed to ensure the exact and stable position of the individual chambers. The last part is focused on the research of leukemic cell motility, which is concluded by a discussion of the obtained results. The appendix contains a published study included acknowledgement to the author of this diploma thesis for participation in the project.

Mittels Zeitrafferaufnahmen ist es möglich, einzelne Zellen und deren Nachkommenschaft innerhalb bestimmter Zellkulturen zu verfolgen. Fortgeschrittene Bilderverarbeitungsmethoden gestatten es, diesen Prozess der Zellverfolgung über Hunderte von aufeinanderfolgenden Bildern weitgehend zu automatisieren und baumartige Zelltrajektorien zu erzeugen. Allerdings kommt es dabei häufig zu Situationen, in denen die entsprechenden Algorithmen zu ungenau werden und ein Benutzereingriff erforderlich ist. Ziel dieser Arbeit war ein entsprechendes Softwaretool zu entwickeln, dass diesen Benutzereingriff gewährleistet und damit die automatische Zellverfolgung komplementiert. Die entsprechende Software ist in der Lage , die zu Grunde liegenden Bildstapel zu laden und als Bildsequenz darzustellen. Darüber hinaus werden zusätzliche Informationen zu den erkannten Zellobjekten und den automatisch generierten Zelltrajektoren (vor-prozessierte Metadaten aus Mathematica) geladen und repräsentiert. Zentrale Aufgabe der Software ist es, eine Plattform zu schaffen, auf der ein geschulter Nutzer die erkannten Trajektorienabschnitte effizient und benutzerfreundlich erkennen und gegebenenfalls miteinander verknüpfen kann. Die entsprechend ergänzten Trajektorien können anschliessend als Metadaten für die weitere Verarbeitung und Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Das Softwaretool stellt einen wichtigen Bestandteil einer Auswertepipline für zeitlich ausgedehnte Videoaufnahmen von Zellkulturen dar und leistet damit einen Beitrag zum Verständnis von Zellorganisation und zellulärer Migration.

En recherche pharmacologique, les cellules vivantes sont largement utilisées comme milieu d’analyse pour l’étude de phénomènes biologiques, par exemple l’apoptose et la réorganisation cellulaire. Différents outils de caractérisation sont développés pour analyser et traduire l’information biologique en information quantifiable. L’imagerie à résonance de plasmons de surface (SPR) est sensible aux variations d’indice de réfraction d’un milieu à l’interface d’une couche métallique. Elle trouve beaucoup d’applications en recherche pharmacologique, car elle permet l’acquisition d’images en temps réel et ne nécessite pas de marquage biologique comme en fluorescence. Cependant, la nature propagative des plasmons de surface (PSP) limite la résolution spatiale en entraînant un étalement de l’information dans la direction de propagation des PSP. Cela signifie qu’il est difficile de résoudre spatialement des détails inférieurs à la distance de propagation des PSP, généralement de l’ordre des dizaines de micromètres. Plusieurs groupes de recherche travaillent à améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR. Toutefois, bien que des résolutions spatiales inférieures à celle de la propagation ont été obtenues, certains compromis ont été effectués, par exemple la diminution de la résolution temporelle ou d’indice de réfraction.Ce projet de thèse s’insère dans cette problématique en concevant et réalisant des dispositifs plasmoniques permettant d’améliorer la résolution spatiale en imagerie SPR, tout en minimisant les compromis avec les autres paramètres d’imagerie. Ces puces SPR sont composées de surfaces métalliques nanostructurées dont le mode guidé combine les propriétés des plasmons propagatifs et des plasmons localisés. Un logiciel de modélisation numérique a permis de démontrer comment la géométrie des surfaces nanostructurées peut être optimisée de manière à réduire la longueur d’atténuation du mode plasmonique tout en conservant un fort contraste d’imagerie. Une géométrie optimale a été identifiée et des structures de l’ordre du micromètre ont été observées à l’aide des puces SPR nanostructurées optimisées. Les résultats expérimentaux ont montré une réduction de la propagation d’un facteur de 6.3 comparativement à des surfaces métalliques uniformes.Les performances en imagerie des puces SPR nanostructurées ont été validées au cours d’études de réponses cellulaires causées par stimulation à l’aide d’agents pharmacologiques. Les puces ont été employées dans l’étude de changements d’intégrité de couches confluentes de cellules suivant stimulation. La quantification de trous intercellulaires dans la couche a montré une augmentation significative du nombre de petits trous détectés (~ 1-2 µm2) lors de l’utilisation des puces SPR nanostructurées. Cette augmentation de la sensibilité à l’activité cellulaire est le résultat de l’amélioration de la résolution spatiale. Finalement, l’étude de la morphologie de cellules au cytosquelette fortement linéaire a permis d’observer des structures subcellulaires et de suivre la réorganisation du cytosquelette de cellules individuelles. Les puces SPR nanostructurées conçues et réalisées au cours de cette thèse montrent un fort potentiel d’applications en imagerie sans marquage de cellules vivantes. / In pharmacological research, living cells are widely used as the sensing medium for biological studies, such as cell apoptosis and cellular reorganization. Different characterization systems are developed to analyze and quantify biological information. Surface plasmon resonance (SPR) imaging is sensitive to minute refractive index variations occurring in a medium at the proximity of a metal layer. It has found many applications in pharmacological research since it allows the real-time image acquisition and does not require biological labeling like for fluorescence. However, the propagative nature of surface plasmons (PSPs) limits the spatial resolution by spreading the information in the direction of propagation of the PSPs. This means that it is difficult to spatially resolve details smaller than the attenuation length of the PSPs, generally of the order of tens of micrometers. Several research groups have worked on this limitation in order to improve the spatial resolution in SPR imaging. However, although spatial resolutions lower than that of the propagation have been obtained, those techniques require compromises, such as loss in temporal resolution or in refractive index.In this thesis project, plasmonic devices were designed and characterized in order to improve spatial resolution in SPR imaging, while minimizing compromises with other imaging parameters. These SPR chips are composed of nanostructured metal surfaces where the guided mode combines the properties of propagative plasmons and localized plasmons. An in-house numerical modeling software has demonstrated how the geometry of nanostructured surfaces can be optimized to reduce the attenuation length of the plasmonic mode, while maintaining a high imaging contrast. An optimum geometry was identified, and micron-sized structures have been observed using the optimized nanostructured SPR chips. Experimental results showed a reduction in propagation by a factor of 6.3 compared to uniform metal surfaces.The imaging performances of nanostructured SPR chips were assessed by studying cellular responses following pharmacological stimulation. The chips were used in real-time monitoring of integrity changes in confluent endothelial cell layer following stimulation. Quantification of intercellular gaps in the monolayers showed a significant increase in the number of small holes detected (~ 1μm2) when using nanostructured SPR chips. This increase in sensitivity to cellular activity is the result of improved spatial resolution. Finally, the study of morphology in highly linear cytoskeleton cell enabled the observation of subcellular structures and the monitoring of cytoskeleton reorganization in individual cells. The nanostructured SPR chips designed and realized during this thesis show a strong potential label-free live cell imaging.

The subject of the PhD thesis is the application of a transmission digital holographic microscope (DHM) which was designed and constructed in the Laboratory of optical microscopy at the IPE BUT for the research of live cells dynamics. First part of the work is concerned with theoretical description of the microscope imaging properties dependent on the coherence of illumination. It is supplemented with experiments of imaging of a model and a real biological specimen. The following part describes construction modifications and innovations of the microscope and its equipment that enabled the utilization of the microscope for live cells observations. In the experimental part the methodology of live cells preparation and DHM imaging was worked out. The methodology was verified by the observation of cell dynamics during an apoptosis induced by the cytostaticum cis-platinum. Further experiments examined the dynamics of live cells in standard conditions and during a deprivation stimulus. A novel method of holographically reconstructed phase, named \uva{dynamic phase differences}, was set up to evaluate quantitative changes of cell mass distribution during the experiments. Depending on the degree of malignancy and density of cell outgrowth, various schemes of cancer cells behaviour during a specific reaction were revealed using this method. For the quantitative analysis of the DHM phase imaging, a suitable statistical characteristic and an interpretation of the measured data were proposed. Both of them were successfully applied for the comparison of cell motility of two cell types: parental and progeny cell lines. On the basis of the proposed processing, hypotheses describing the reaction mechanism of tumour cells to stress life conditions were established. In the conclusions we summarize our findings and suggestions for the construction and the applications of a new generation of the transmission DHM.

<p>The use of silicon nanoneedles provides a unique and versatile biointerface for a range of biomedical applications. In this work, we propose a rational design for vertical Si nanoneedles that are printed on a polymer substrate for ocular drug delivery, intracellular recording, and intra-organoid sensing. To enable minimally invasive and long-term sustained delivery of ocular drugs, we integrate vertical Si nanoneedles with a tear-soluble contact lens for ocular drug delivery. We demonstrate the effectiveness of this platform in treating corneal neovascularization in an in vivo rabbit model, surpassing the current gold standard surgical therapy. This platform has the potential to revolutionize the management of various chronic ocular diseases without causing significant side effects.</p> <p>To enable intracellular recording, we present a unique platform consisting of vertical Si nanoneedles coated with a thin, transparent network of Au-Ag nanowires. This platform is held in place and enclosed by a soft, transparent elastomer, providing simultaneous intracellular recording and live imaging with applications in neuroscience, cardiology, muscle physiology, and drug screening. To demonstrate the utility of this platform, we monitored electrical potentials from cardiomyocyte cells and cardiovascular organoids. Additionally, we propose an intra-organoid sensing platform with vertical Si nanoneedles transfer printed into a soft scaffold. This platform can be adjusted and tailored for various organoids and tumor tissues of interest, or used to deliver bioactive molecules of interest into organoids in response to external stimuli.</p> <p>Our proposed designs of vertical Si nanoneedles based platforms demonstrate their significant potential for a broad range of biomedical applications, including ocular drug delivery, intracellular recording, and intraorganoid sensing. These platforms have the potential to revolutionize current approaches and pave the way for future developments in biomedical research and clinical applications, offering new possibilities for the diagnosis and treatment of a wide range of diseases.</p>

<p>    </p> <p>When mammalian eggs are fertilized, they undergo an egg-to-embryo transition during which different egg activation events take place. Egg activation events include the establishment of blocks to polyspermy, which prevent multiple sperm from fertilizing an egg. One of these blocks to polyspermy occurs at the level of the egg plasma membrane (the membrane block to polyspermy). Previous work in our lab provides evidence that the mammalian membrane block to polyspermy is mediated by sperm-induced calcium signaling and the egg’s actomyosin cytoskeleton (McAvey et al., 2002). This thesis research builds upon this foundation, testing hypotheses about two specific effector molecules, one involved in calcium signaling and one with the actin cytoskeleton, and also developing the use of an actin probe for live-cell imaging, with the goal of imaging actin dynamics in eggs undergoing fertilization. Specifically, we examined the calcium effector molecule Ca2+/Calmodulin-dependent-protein kinase IIg (<strong>CaMKII</strong>g), based on previous studies showing that CaMKII plays a role in the membrane block (Gardner et al., 2007) and that the g isoform of CaMKII is necessary and sufficient for eggs to complete meiosis (Backs et al., 2010). We tested the hypothesis that CaMKIIg would mediate the membrane block to polyspermy but found that egg activation driven by expression of a constitutively active form of CaMKIIg was not sufficient to establish the membrane block. Our studies of the actin cytoskeleton focused on the Arp2/3 complex as a candidate. We tested the hypothesis that Arp2/3, which mediates actin filament branching, was involved in membrane block establishment, building on the finding that disruption of actin with the drug cytochalasin D impairs the membrane block (McAvey et al., 2022). These studies used the Arp2/3 inhibitor CK666, predicting that we would see increased sperm incorporation in CK666-treated eggs. However, an assay of sperm incorporation over time indicated that Arp2/3 may not play a significant role in the membrane block to polyspermy, although follow-up studies will be beneficial. Lastly, the actin probe SiR- Actin was assessed for use on oocytes undergoing live-cell imaging during meiosis I and II. Oocytes were treated with differing concentrations of SiR-Actin and live cell imaged while maturing through meiosis I or completing meiosis II. Higher doses and longer exposure to SiR- Actin caused abnormalities in oocytes during meiosis I but not in eggs completing meiosis II. Together, this work sets the stage of a range of future studies into the mammalian membrane block to polyspermy. </p>

Le complexe de pores nucléaires est le seul point d'entrée et de sortie du transport nucléocytoplasmique. Le panier nucléaire, l'un de ses principaux composants, s'est avéré impliqué dans la régulation des gènes et pourrait jouer un rôle majeur dans le contrôle de la qualité de l'export d'ARNm. Cependant, on sait peu de choses sur le fonctionnement du panier dans l'export nucléaire et la régulation des gènes. La principale composante structurelle du panier, la TPR (Translocated Promoter Region), est considérée comme l'acteur principal de la fonction de contrôle de la qualité du panier. Il reste à établir par quel mécanisme cette protéine assure la sélection des mRNP compétentes pour l'exportation. Malgré son implication connue dans le contrôle de la qualité des mRNP, l'exportation et la maturation, des questions demeurent: que fait vraiment le panier, qu'est-ce qui définit le contrôle qualité, comment le panier nucléaire est-il capable d'identifier l'ARN qui n'est pas compétent pour l'exportation et quels sont les rôles de différentes protéines composant le panier nucléaire. Récemment, il a été montré que la protéine TPR est présente dans deux populations, l'une dans le nucléoplasme et l'autre liée au NPC. Nos études préliminaires utilisant FRAP (Fluorescence Recorvery After Photobleaching) et la microscopie à molécule unique montrent que les molécules nucléoplasmiques de TPR ne sont pas impliquées dans un échange rapide avec les molécules assemblant avec les paniers ancrés au NPC et présentent différentes sous-populations basées sur la diffusion. L'analyse de études protéomiques préliminaires de notre laboratoire a révélé que l’interactome de TPR présente un enrichissement inattendu en protéines impliquées dans la maturation de l'ARNm, notamment l'épissage et les facteurs de traitement de l'extrémité 3'. Ces résultats pourraient suggérer des interactions complexes des nouvelles fractions nucléoplasmiques de TPR avec la machinerie de maturation des ARNms et nous amènent à poser les questions suivantes : Quelle est la fonction de la protéine du panier TPR lorsqu'elle n'est pas associée au NPC, et la TPR nucléoplasmique participe-t-elle au métabolisme de l'ARN nucléaire, reliant potentiellement les processus nucléaires au contrôle de la qualité au NPC? Mon projet s'est concentré sur l'étude des fonctions et de la dynamique de la protéine du panier nucléaire TPR à l'aide de techniques d'imagerie fluorescente en cellule vivante et de suivi de protéine unique. Nous avons pu identifier la dynamique et la localisation des différentes populations de TPR à partir des profils de diffusion de leurs trajectoires, qui peuvent être réparties en 5 catégories : Dirigée, Brownienne, Restreinte, Confinée et Butterfly. Nos données suggèrent que les trajectoires confinées pourraient être liée à l’association de TPR à la chromatine tandis que les browniennes représenteraient les molécules de TPR diffusant librement dans le noyau. De plus, nous avons constaté que les trajectoires dirigées et restreintes pourraient être liées à la maturation de l'ARN vu que ces deux sous-populations de TPR sont les plus affectées lorsque la transcription est inhibée. Également, en absence de la transcription par l’ARN polymérase II, TPR forme des granules dans le nucléoplasme, suggérant son implication durant la transcription active. Ainsi, notre étude montre que la fraction nucléoplasmique du TPR est subdivisée en fractions non associées aux pores hétérogènes qui pourraient jouer plusieurs rôles dans le métabolisme de l'ARN et la qualité de l'export. / The nuclear pore complex is the only entry and exit point for the nucleocytoplasmic transport. The nuclear basket, one of its main components, was shown to be involved in gene regulation and could play a major role in quality control of mRNA export. However, little is known on how the basket functions in nuclear export and gene regulation. The main structural component of the basket, TPR (Translocated Promoter Region), is thought to be the main actor in the quality control function of the basket. It is yet to be establish by which mechanism this protein ensures the selection of competent mRNPs for export. With all these involvement of the basket in quality control, export, and maturation, one question remains: What is the basket really doing, what defines quality control, how the nuclear basket can identify RNAs that aren’t competent for export, and what are the roles of the different proteins that make up the basket. Recently it was shown that TPR is present in two populations, one in the nucleoplasm and another bound at the NPC. Our preliminary studies using FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) and single molecule microscopy shows that the nucleoplasmic TPR molecules aren’t exchanging with the baskets anchored at the NPC and present different subpopulations based on diffusion. Analysis of preliminary proteomics studies from our laboratory revealed an interactome with an unexpected enrichment of proteins involved in mRNA maturation notably splicing and 3’ end processing factors. These results imply complex interactions of the new fractions of TPR and lead us to ask these following questions: What is the function of the basket protein TPR when it is not associated with the NPC, and does nucleoplasmic TPR participate in nuclear RNA metabolism, potentially linking nuclear processes to quality control at the NPC? My project focused on investigating the functions and dynamics of the nuclear basket protein TPR using fluorescent live-cell and single-protein imaging techniques. We were able to identify the dynamics and localization of the different populations of TPR based on the diffusion profiles of their trajectories, which can be divided in 5 categories: Directed, Brownian, Restricted, Confined and Butterfly. Our data suggest that the confined population might be linked to chromatin association of TPR, whereas the Brownian would represent the free diffusing TPR molecules in the nucleus. We further found that the Directed and Restricted trajectories could be linked to RNA maturation as these two subpopulations of TPR are most affected when transcription is inhibited. Moreover, in absence of transcription, TPR forms granules in the nucleus, suggesting its implication during active transcription. Altogether, our study shows that the nucleoplasmic fraction of TPR is subdivided in heterogenous diffusive fractions that could play several roles in the metabolism of RNA and quality of export

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