Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour objectif d'imager des cellules par des techniques d'imagerie complémentaires à la spectroscopie de fluorescence : la micro-spectroscopie Raman et l'imagerie NanoSIMS. Le présent manuscrit se divise en quatre chapitres et présente les différents aspects menant à la mise en place de ce projet. Le premier chapitre du manuscrit a pour but de positionner le projet d'un point de vue biologique. Ce chapitre présente l'organite que nous souhaitions marquer, le nucléole, et la façon dont nous avons procédé à sa localisation par l'intermédiaire de sondes moléculaires. Le marquage que nous avons choisi est un immuno-marquage indirect faisant intervenir deux anticorps : un anticorps primaire spécifique à la nucléophosmine, protéine majoritairement présente dans le nucléole et un anticorps secondaire, reconnaissant l'anticorps primaire, marqué par une sonde moléculaire d'intérêt. Ce chapitre a également permis de montrer par une analyse en immunofluorescence l'absence d'interférence des sondes moléculaires dans le cadre de ce marquage. Le second chapitre se focalise sur la synthèse des sondes moléculaires permettant le marquage des anticorps secondaires. Les sondes envisagées pour ce marquage possèdent un groupement ester de succinimide réactif capable de "s'accrocher" de manière covalente aux fonctions amines de l'anticorps secondaire et un ou plusieurs groupements fonctionnels visible par la technique d'imagerie voulue. Trois catégories de sondes ont été préparées et dépendent de la technique d'imagerie employée. Les sondes Raman comportant une triple liaison carbone-carbone visible par cette technique, les sondes NanoSIMS dont l'acquisition d'image sera possible par les halogènes présents dans la structure et les sondes bimodales comportant les deux éléments dans la même structure. Les sondes bimodales sont obtenues par le couplage pallado-catalysé de Sonogashira. Dans la dernière partie du chapitre, une nouvelle série de sonde a été envisagée dans le cadre d'une application future : le marquage de l'ATP-ϒ-SH grâce à une fonction mésylate. Les deux derniers chapitres ont pour but de mettre en application tout ce qui a été présenté dans les chapitres précédents. Les deux techniques employées permettent d'accéder à des types d'informations différentes : la spectroscopie Raman donne accès aux modes de vibrations d'une molécule tandis que l'imagerie NanoSIMS permet d'obtenir des informations élémentaires et isotopiques. Nous présenterons le cheminement suivi pour imager des cellules via leurs constituants par micro-spectroscopie Raman et imagerie NanoSIMS via les sondes moléculaires introduites. / Life sciences imaging are widely used for different applications, they are interested in medical diagnosis as well as basic research. In cells biology, fluorescence microscopy is mainly used for organelles observation at sub-cellular scale. However, techniques based on fluorescence phenomena are limited by some drawbacks like technical resolution, fluorescent dye degradation and the number of channels, which can be visualized. In this context, the exploration and the development of new way for image acquisition are considered as an experimental and technical scientific challenge. Furthermore, it can lead to complementary technique to fluorescence microscopy.This PhD thesis is a life science imaging project development and application allowing image acquisition base on molecular vibrations phenomena and elementary analysis in cells. Two techniques have been chosen in relation to both specificity: micro Raman spectroscopy and NanoSIMS imaging. Micro Raman spectroscopy allows the observation of molecular vibration mode at micron scale and NanoSIMS leads to elementary and isotopic sample information at sub-micronic scale. Combination of both techniques will lead to multi-scale and multi-modal imaging of biological samples. Molecular probes designing and synthesis for both techniques were used to visualize an organelle inside the nucleus: the nucleolus. Nucleolus has a key role in ribosomal RNA transcription and researchers shows some interest in the study of this organelle for his multifunctional role like ribosome biogenesis and nuclear organization. An immuno-labelling method combine with the introduction of molecular probes will allow nucleolus imaging by micro-Raman spectroscopy and NanoSIMS spectrometry. This immuno-labelling is specific to a phosphoprotein mainly localized inside the nucleolus: the nucleophosmin (NPM). In this project, the introduction of molecular probes in an immuno-labelling will act as a Raman Tag or a NanoSIMS tag for NPM's nucleolus observation and studies.This work at the interface between different fields: chemistry, biology and physics shows all the aspect of this project starting from molecular probes synthesis, immuno-labelling methods uses to direct application of both Raman and NanoSIMS techniques.

La caméra à pixels hybrides XPAD3 intégrée dans le micro-CT PIXSCAN II est un nouveau dispositif dans lequel le comptage de photons remplace l’intégration de charges utilisée dans les systèmes de radiographie standard. XPAD3 apporte des avantages, en particulier l’absence de bruit de courant noir et la possibilité d’imposer un seuil de discrimination sur chaque pixel. Ces particularités ont pu être exploitées au cours de ce travail de thèse en imagerie préclinique classique sur petit animal et ont permis de faire la preuve de faisabilité d’un marquage ex vivo puis intra-vital des macrophages. D’autre part les capacités de cette caméra sont intéressantes pour le développement d’une nouvelle méthode d’imagerie spectrale dite au K-edge. L’imagerie au K-edge permet de différencier des compartiments contenant un agent de contraste par rapport à l’os dans des radiographies classiques. Elle est obtenue via l’étalonnage de 3 différents seuils autour de l’énergie de liaison de la couche K de l’agent de contraste considéré. Le développement d’un nouvel d’étalonnage avec l’utilisation de pixels composites a permis d’établir la preuve de concept d’un brevet et d’obtenir les premiers résultats sur souris vivantes en divisant le temps d’acquisition par 3 avec un compromis sur la résolution spatiale. Cette nouvelle approche peut être implémentée en "2 couleurs" pour séparer deux différents types d’agents de contraste. Ceci offre une nouvelle manière de visualiser des informations biologiques pertinentes dans un contexte applicatif visant à étudier de manière dynamique (longitudinale) l’interdépendance de la vascularisation et de la réponse immunitaire au cours du développement tumoral. / The hybrid pixel camera XPAD3 integrated in the micro-CT PIXSCAN II is a new device for which photon counting replaces charge integration used in standard X-ray CT. This novel approach involves advantages, in particular the absence of dark noise and the ability to set an energy threshold on each pixel of the detected photons. This features has been exploited during this thesis work for standard small animal preclinical imaging and permitted to establish the faisability of ex vivo, and then in vivo labelling of marcrophages. On another hand, the ability of this camera is of uppermost importance for the development of K-edge imaging approaches, which exploit spectral information on the counted photons. K-edge imaging permits to identify contrast agent compartiments with regards to bones in classical radiography. K-edge imaging is obtained by selecting, for each pixel calibration, those pixel that are set at one of the three different thresholds around the K-shell’s binding energy of the selected contrast agents and then to proceed with a subtraction analysis to the images obtained above and below the K-edge energy. We develop a new way of calibrating the XPAD3 detector that permits to provide the proof of concept of a patent, and to obtain the first results on living mice by dividing the acquisition time by three with a compromise on the resolution. This novel approach can be implemented in “2 colours” in order to separate clearly two different contrast agents. This brings a new way to visualize biological information and to provide possible future approaches for the study of the inter-dependance of vascularisation and inflammation during the tumor development.

Pour comprendre l'origine des variations d'histoire de vie des organismes, il fautétudier et mettre en évidence les stratégies d'histoire de vie et les processus évolutifsqui les gouvernent. Ce travail de thèse a pour objectif d'étudier les stratégiesd'histoire de vie et leur conditionnement par les caractéristiques individuellesen conditions naturelles. Les stratégies d'histoire de vie sont vues comme un agencementde normes de réactions et de compromis évolutifs. Cependant, l'étude desprocessus évolutifs en milieu naturel se heurte à des problèmes d'ordre méthodologique.En effet, le suivi exhaustif au cours du temps d'individus d'une populationest difficilement réalisable, voire impossible en conditions naturelles. Les méthodesde capture-marquage-recapture permettent une observation partielle des histoires devie et des traits d'histoire de vie. Ce travail se base sur l'idée que nos observationsne sont que la partie visible de processus sous-jacents qu'il est nécessaire de prendreen compte pour ne pas biaiser nos inférences statistiques. J'utilise la modélisation àstructure cachée pour 1) séparer le processus d'observation du processus dynamiqued'intérêt, 2) modéliser les histoires de vie complètes des individus, 3) intégrer dansun cadre unique et cohérent les décisions d'histoire de vie et les compromis évolutifset 4) représenter explicitement les mécanismes sous-jacents qui génèrent nos observations.Dans ce cadre, on peut alors intégrer les théories et concepts de la biologieévolutive dans l'analyse statistique des données d'observations. J'illustre ce travailpar l'étude du conditionnement des stratégies d'histoire de vie dans une populationnaturelle de saumon Atlantique sur le Scorff (Morbihan) à partir de données de CMR.Mes résultats mettent en évidence des décisions d'histoire de vie statut-dépendanteset des compromis évolutifs qui n'auraient pas pu être mis en évidence hors du cadrede modélisation proposé. / Understanding the origin of life history variations of organisms requires studying life historystrategies and evolutionary processes that drive them. This thesis aims at studying life historystrategies under natural conditions and how they are conditioned by individual characteristics.Life history strategies are seen as a combination of reaction norms and evolutionarytrade-offs. The study of evolutionary processes in the wild faces to methodological issues.Indeed, the exhaustive monitoring of individuals over time is often impossible in the wild.Capture-mark-recapture methods allow a partial observation of life histories and life historytraits. This work was based on the idea that our observations are only the visible part ofunderlying processes that need to be accounted for to limit the risk of flawed statistical inferences.I resort to hidden structure modeling to 1) separate the observation process fromthe dynamic process of interest, 2) model the full life histories of individuals, 3) integratewithin a single and coherent framework life history decisions and evolutionary trade-offs and4) explicitly represent the underlying mechanisms that generate our observations. Withinthis framework, one can confront theories and concepts in evolutionary biology with observationaldata through appropriate statistical tools. Finally, I illustrate this work by studying theconditioning of life-history strategies in a natural population of Atlantic salmon on the Scorffriver (Morbihan) using CMR data. My results highlight status-dependent life history decisionsand evolutionary trade-offs that could not be identified without our proposed modelingframework.

Cette thèse concerne le développement de nanocristaux (NCs) cœur/coquille d'InP/ZnS émettant dans le proche infrarouge pour l'imagerie biologique. Dans la synthèse chimique des NCs cœur d'InP, nous avons utilisé la phosphine générée in situ comme précurseur de phosphore en combinaison avec le myristate d'indium comme précuseur d'indium et l'1-octadécène comme solvant. Les NCs obtenus sont hautement cristallins et présentent une fluorescence dans la gamme 720-750 nm, selon leur taille. La croissance d'une ou deux monocouches (coquille) de ZnS sur la surface des NCs d'InP a considérablement amélioré leur rendement quantique de fluorescence. Nous avons de plus étudié le transfert de phase de ces NCs InP/ZnS du milieu organique au milieu aqueux en utilisant diverses molécules hydrophiles contenant un groupe thiol. En particulier, nous nous sommes intéressés au transfert de phase avec des molécules zwitterioniques tels que la penicillamine et la cystéine afin d'obtenir une taille hydrodynamique compacte, et de réduire les interactions non-spécifiques en milieu biologique. Dans l'étude du transfert de phase, l'accent a été mis sur la stabilité colloïdale des NCs et sur la préservation de leur efficacité de fluorescence en milieu aqueux. La cytotoxicité des NCs InP/ZnS fonctionnalisés avec la pencillamine a été évaluée en culture cellulaire. Puis la bio-distribution de ces NCs a été étudiée dans des souris vivantes par imagerie de fluorescence grâce à leur émission dans le proche infrarouge. Pour finir, les fonctionnalisations de NCs InP/ZnS d'une part avec un peptide de pénétration cellulaire, d'autre part avec des agents de contraste IRM (complexes de gadolinium) et enfin avec un nombre contrôlé de molécules streptavidine ont été explorées, démontrant le grand intérêt de ces NCs pour l'imagerie biologique. Mots clés: phosphure d'indium, boîtes quantiques, nanocristaux, imagerie biologique de fluorescence, infrarouge, transfert de phase, fonctionnalisation de surface / This thesis concerns the development of near infrared (NIR) emitting InP/ZnS core/shell nanocrystals for biological imaging. In situ generated phosphine gas was used as the phosphorous precursor, indium myristate as the In precursor and 1-Ocadecene as the solvent to produce InP NCs with emission in the range of 720-750 nm. Growth of 1-2 monolayers of a ZnS shell on the surface of the InP NCs strongly improves their quantum yield. Next, we studied the phase transfer of the obtained InP/ZnS NCs to aqueous medium with various thiol group containing ligands. Emphasis is put on the colloidal stability and the retention of fluorescence quantum efficiency during the transfer. Zwitterionic ligands such as pencillaime and cysteine have been studied in view of their biological interest in providing compact size and reduced non-specific interaction with cells. The cytotoxicity of pencillamine capped InP/ZnS NCs has been evaluated in cell culture. The NIR emitting properties of the QDs have been exploited to their study bio-distribution in mice by fluorescence imaging. In addition, functionalisation of the InP/ZnS NCs with a cell penetrating peptide, with a MRI contrast agent (gadolinium complex) and with a controlled number of streptavidin molecules have been explored to demonstrate the large interest of InP/ZnS NCs in biology. Key words: Indium phosphide, quantum dots, near infrared fluorescence imaging, phase transfer, surface functionalisation

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Cette thèse porte sur la méthode de marquage métabolique de glycanes. Elle consiste à utiliser des monosaccharides modifiés pouvant être métaboliquement introduits sur la membrane externe des cellules. Deux cibles ont été choisies, les bactéries Legionella pneumophila, et des cellules eucaryotes (lignée cellulaire du cancer de la prostate, PC3).Différents analogues saccharidiques ont été synthétisés pour les deux cibles portant différents rapporteurs chimiques, notamment des fonctions azoture, alcyne terminal, alcène terminal, cyclopropène et cétone. Une voie de synthèse commune a été développée mettant en jeu des dérivés d’esters de N-hydrosuccinimide et des dérivés saccharidiques amino, tels que la D-mannosamine, la D-galactosamine et le L-fucose pour les cellules eucaryotes et des analogues d’un précurseur de l’acide légionaminique pour les bactéries Legionella pneumophila.Des essais de marquages métaboliques de glycanes ont été effectués sur Legionella pneumophila. Pour cela, différents dérivés saccharidiques ont été incorporés par les bactéries, puis la révélation des rapporteurs chimiques avec des groupements complémentaires a été évaluée (azoture-cyclooctyne, alcène-tétrazine, cétone-hydrazide/alkoxyamine). La détection a été réalisée soit directement (fluorophore sur le partenaire), soit indirectement (reconnaissance d’un groupement biotine par une streptavidine portant un fluorophore). Les bactéries ont été ensuite observées par microscopie photonique et les observations ont mis en évidence un marquage membranaire.Pour les cellules eucaryotes (PC3), des essais de marquage métabolique ont été effectués afin de vérifier l’incorporation des monosaccharides modifiés via une détection par fluorescence. Une série d’outils portant les fonctions complémentaires aux rapporteurs chimiques, notamment un dérivé de cyclooctyne (TMDIBO) et un dérivé de tétrazine ont été synthétisés. Ils ont été couplés à des dérivés de biotine afin d’obtenir des outils pour la microscopie photonique et à des ARMs (Antibody Recruiting Molecules), tel que le 2,4-dinitrophényle et le rhamnose, en vue d’une potentielle approche thérapeutique. Celle-ci consiste à combiner l’incorporation de monosaccharides modifiés et leur réaction avec un partenaire portant des ARMs, afin de recouvrir la surface des cellules par ces motifs. Les ARMs en présence de sérum humain vont ensuite activer le complément conduisant à la lyse des cellules marquées. Des tests de marquage métabolique ont été réalisés avec les outils couplés aux ARMs et une détection par fluorescence a permis de vérifier la présence des ARMs à la surface des cellules. Des premiers essais ont été effectués avec du sérum humain et des optimisations sont à réaliser.Le marquage métabolique de glycanes est une méthode efficace afin de détecter par fluorescence les bactéries Legionella pneumophila à l’aide d’analogues d’un précurseur de l’acide légionaminique et les cellules eucaryotes PC3 via des dérivés d’autres monosaccharidiques. Le marquage obtenu dans les deux cas est membranaire. Cette méthode permet éventuellement de combiner des aspects d’imagerie ou de diagnostic, avec différentes approches thérapeutiques. / This PhD work focuses on glycans metabolic labeling. This method uses a modified monosaccharides bearing a chemical reporter. The unnatural monosaccharide is metabolically incorporated into glycans. Two targets were selected, Legionella pneumophila bacteria and prostate cancer cells (PC3).Various saccharidic analogs were synthesized carrying several chemical reporters, like azide, terminal alkyne, terminal alkene, cyclopropene and ketone functions. A common synthetic strategy was developed using N-hydrosuccinimide ester derivatives and amino monosaccharides, such as D-mannosamine, D-galactosamine and L-fucose for eukaryotic cells and analogs of a legionaminic acid precursor for Legionella pneumophila bacteria.Differents metabolic labeling of glycans were carried out on Legionella pneumophila. Various sugar derivatives were incorporated by bacteria, then the reporter group was reacted selectively and covalently with a complementary function (azide-cyclooctyne, alkene-tetrazine, ketone-hydrazide/alkoxyamine). Bacteria were visualized with an imaging probes by light microscopy (directly: partner bearing a fluorophore, indirectly: recognition of a biotin group by a fluorescent streptavidin). The results highlighted outer membrane labeling.For eukaryotic cells (PC3), metabolic oligosaccharides engineering has been accomplished to check chemical reporter analogs incorporation via detection with fluorescent probes. A series of tools carrying functions complementary to the chemical reporters was synthesized, such as cyclooctyne derivatives (TMDIBO) and tetrazine derivatives. These derivatives were combined with biotin groups for detecting tools or with Antibody Recruiting Molecules (ARMs), such as 2,4-dinitrophenyl and L-rhamnose, for potential therapeutic approaches. The concept focuses on the combination of metabolic glycan labeling and the activation of human serum complement by ARMs to kill selectively labeled cells. First, ARMs labeled cells was checked by recognition of fluorescent anti-ARMs antibodies. Then, metabolic glycan labeling and human serum complement activation has been evaluated but the complement activation protocols still need to be optimized.Metabolic labeling of glycans is an effective method to detect, by fluorescence, Legionella pneumophila bacteria using analogs of a legionaminic acid precursor and eukaryotic cells (PC3) with monosaccharide derivatives. The labeling was observed on the membrane of the two targets. This method can potentially combine imaging or diagnostic aspects with various therapeutic approaches.

Les composés deutérés sont d’un intérêt grandissant dans des domaines variés. Par exemple, en pharmacologie, l'échange H/D peut améliorer les propriétés pharmacocinétiques de certains médicaments ou réduire leur toxicité. Les composés deuterés peuvent également être utilisés comme étalons internes en spectroscopie de masse. Il est donc important de trouver un moyen simple et sélectif d'échanger l'hydrogène avec le deutérium sur des molécules d’intérêt biologique. Les nanoparticules, de ruthénium en particulier, se sont révélées être des systèmes efficaces pour catalyser cet échange. Cependant, étant très actives, elles conduisent souvent à la réduction de substrats aromatiques. L'objectif principal du doctorat est l’élaboration de nouvelles nanoparticules permettant de contrôler la réactivité en échange isotopique H/D. Nous avons d’abord synthétisé des alliages Ru-Pt afin d’introduire du platine, moins actif en échange H/D, et donc empoisonner la surface du Ru. Nous avons montré qu’en changeant le précurseur de platine, on pouvait changer la distribution atomique de surface, et ainsi moduler la réactivité des nanoparticules. Nous avons finalement synthétisé des nanoparticules de nickel et d'iridium. Ces nanoparticules se sont avérées être des catalyseurs efficaces pour l'échange H/D, sans réduction de fonctions aromatiques. De plus, des sélectivités différentes ont été obtenues en fonction du métal utilisé. / Deuterated compounds are molecules of great interest in various fields. In pharmacology, the H/D exchange can improve the pharmacokinetic properties of some drugs or reduce their toxicity. In addition, deuterium-labelled compounds can be used as internal standards for mass spectroscopy, or as tracers for the understanding of different reaction mechanisms. Therefore, it is important to find a way to exchange hydrogen with deuterium in a simple, selective and efficient way. The main goal of the PhD project is the synthesis of novel nanoparticles for isotopic exchange (H/D). Metal nanoparticles and more particularly ruthenium nanoparticles, has shown their efficiency to catalyze this exchange. However, ruthenium nanoparticles are very active in arene hydrogenation, and often lead to the reduction of aromatic substrates. In a second part of the work, we synthesized Ru-Pt alloys in an attempt to passivate the Ru surface with platinum, which is less-active in H/D exchange. We have shown that by changing the platinum precursor, we can change the atomic distribution of the surface, and thus we were able to modulate the reactivity of nanoparticles. We finally synthesized Ni and Ir nanoparticles. These nanoparticles have proven to be efficient catalysts for H/D exchange, without reducing aromatic functions. In addition, different selectivity was obtained depending on the metal used.

Les glycanes sont des biomolécules constituées d’un enchainement de monosaccharides liés entre eux par des liaisons glycosidiques. La nature et l’abondance des monosaccharides constituant la chaine glycanique ainsi que l’agencement des motifs de glycosylation diffèrent fortement en fonction de l’organisme d’origine. La biosynthèse et la dégradation de ces architectures polysaccharidiques sont finement régulées par des systèmes enzymatiques spécifiques et sont organisées au sein des divers compartiments cellulaires. Les glycanes interviennent dans divers processus biologiques : réserves énergétiques, repliement et stabilité protéique, reconnaissance cellulaire et adhésion à la matrice extracellulaire.Cette thèse porte sur la synthèse et l’utilisation de composés permettant le marquage métabolique des glycanes de cellules eucaryotes (lignée cellulaire du cancer de la prostate, PC-3) ou de bactéries didermes à mycomembranes (Corynebacterium glutamicum).Les composés synthétisés ou utilisés dans cette thèse sont des saccharides fonctionnalisés par un groupement bio-orthogonal (groupements azido, alcyne ou méthylcyclopropène) ou des outils de marquage porteurs simultanément d’un groupement bio-orthogonal complémentaire (groupements cyclooctyne ou tétrazine) et d’une étiquette pouvant être détectée par une macromolécule fonctionnalisée par des fluorophores (D-biotine/stréptavidine ou 2,4-DiNitroPhénol/ anticorps anti-DNP). La solubilité, en milieu aqueux, des outils de marquage est un facteur limitant leur utilisation. Une partie des travaux de cette thèse a consisté à développer des outils de marquage plus solubles en milieu aqueux, par l’ajout d’un motif -sulfo--alanine. Ce motif porte une fonction acide sulfonique qui est déprotonée, à pH physiologique, favorisant ainsi la solubilité en milieu aqueux.L’incorporation métabolique des saccharides fonctionnalisés ainsi que la capacité des outils à marquer les cellules (après incorporation métabolique) est évaluée, sur l’un ou l’autre des modèles biologiques, par analyse en cytométrie en flux ou par microscopie confocale. / Glycans are biomolecules made up of a chain of monosaccharides bound together by glycosidic bonds. The nature and abundance ofmonosaccharides forming the glycanic chain and the arrangement of glycosylation patterns differ greatly depending on the organism of origin. The biosynthesis and degradation of these polysaccharide architectures are finely regulated by specific enzymatic systems and are organized within the various cell compartments. Glycans are used in various biological processes: energy reserves, protein folding and stability, cell recognition and adhesion to the extracellular matrix.This thesis focuses on the synthesis and use of compounds allowing the metabolic labeling of glycans of eukaryotic cells (cell line of prostate cancer, PC-3) or of diderm bacteria with mycomembranes (Corynebacterium glutamicum).The compounds synthesized or used in this thesis are saccharides functionalized by a bio-orthogonal groups (azido, alkyne or methylcyclopropene groups) or labeling tools simultaneously carrying a bio-orthogonal complementary function (cyclooctyne or tetrazine groups) and a label that can be detected by a macromolecule functionalized by fluorophores (D-biotin/streptavidine or 2,4-DiNitroPhenol/ anti-DNP antibodies). The solubility of labeling tools in aqueous media is a limiting factor. Part of the work of this thesis has been to develop more water-soluble labeling tools by adding a -sulfo--alanine pattern. This pattern has a sulfonic acid function, which is deprotonated at physiological pH, thus promoting aqueous solubility.The metabolic uptake of functionalized saccharides and the ability of tools to label cells (after metabolic uptake) are evaluated in either biological model, by flow cytometry analysis or confocal microscopy.

Les dépôts intracellulaires de la protéine Tau agrégée sont la caractéristique commune des tauopathies, une famille de maladies neurodégénératives dont fait partie la maladie d’Alzheimer. Alors que les isoformes de Tau contenant trois (3R) ou quatre (4R) domaines de liaison aux microtubules sont retrouvées à des niveaux similaires dans le cerveau des individus sains, elles diffèrent au sein des inclusions intracellulaires en fonction des tauopathies. Notre étude repose sur l’identification de déterminants structuraux communs et distincts de fibres de Tau 3R et 4R. Pour cela deux approches de protéomique structurale complémentaires ont été mises au point à partir de fibres de Tau 1N3R et 1N4R produites in vitro. La première stratégie, reposant sur l’utilisation de protéolyses ménagées, nous a permis d’identifier les fragments protéolytiques qui composent un « code-barre » moléculaire propre à chaque assemblage. La seconde stratégie a utilisé un marquage chimique covalent des lysines accessibles suivi de l’analyse qualitative et quantitative des acides aminés marqués par spectrométrie de masse. Nous avons ainsi pu montrer que la partie N-terminale de la protéine était accessible au sein des fibres 1N3R et 1N4R tandis que la région C-terminale de la protéine est protégée pour Tau 1N3R et accessible au solvant pour Tau 1N4R. Nos résultats ouvrent la voie à de nouveaux outils moléculaires pour discriminer les tauopathies. / Intracellular deposits of Tau protein aggregates are the common hallmark of tauopathies, a range of neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease. Levels of tau with three (3R) or four (4R) microtubule binding repeats are found similar in the normal adult brain, whereas they differ in neuropathological intracellular Tau inclusions, according to the type of tauopathy. Our study consists of the identification of common and different structural molecular determinants of 3R and 4R Tau fibrils. To this end, two proteomic approaches were optimized using 1N3R and 1N4R recombinant fibrils. The first strategy, using limited proteolysis, allowed us to identify the proteolytic fragments composing the molecular “bar-code” for each type of fibril. The second strategy we optimized used chemical covalent surface labelling of accessible lysines, and qualitative and quantitative analysis of the biotinylated residues using mass spectrometry. We show that, while the N-terminal part of the protein remains accessible within 1N3R and 1N4R fibrils, the C-terminal region is protected within 1N3R yet solvent accessible for 1N4R assemblies. Our results pave the way to new molecular tools to discriminate tauopathies.

La microscopie non linéaire a transformé le domaine de la neurobiologie depuis les années 1990, en permettant d'acquérir des images tridimensionnelles de tissus épais avec une résolution subcellulaire. Cependant, les profondeurs d'imagerie accessibles sont limitées à quelques centaines de micromètres dans des tissus diffusants tels que le tissu cérébral. Au cours des dernières années, plusieurs stratégies ont été développées pour dépasser cette limitation de profondeur et accéder à de plus grands volumes de tissu. Ces avancées récentes ont jusqu'à présent été limitées en terme de modes de contrastes accessibles, et ont souvent été réduites à des approches monochromes. Ce travail de thèse vise à développer des techniques d'imagerie non linéaires de grands volumes et de grande profondeur dotées de diverses possibilités de contrastes, indispensables pour l'étude de tissus complexes tels que le tissu cérébral. Dans un premier chapitre, nous présentons les difficultés associées à l'imagerie de grand volume de tissu cérébral, avec une emphase particulière sur les puissantes stratégies de marquages génétiques dont l'usage à jusqu'à présent été limité à des faibles étendues. Ensuite, nous introduisons la microscopie Chrom-SMP (chromatic serial multiphoton), une méthode développée au cours de cette thèse et consistant à combiner l’excitation deux-photon multicouleurs par mélange de fréquences avec une technique d'histologie automatisée (i.e découpe sériée) pour accéder à plusieurs contrastes non linéaires à travers de grands volumes de tissus ex vivo, allant de plusieurs mm3 à des cerveaux entiers, avec une résolution micrométrique et un coalignement intrinsèque des canaux spectraux. Dans un troisième chapitre, nous explorons le potentiel de cette nouvelle approche pour la neurobiologie. En particulier, nous démontrons l'histologie multicouleur de plusieurs mm3 de tissu "Brainbow" avec une résolution constante dans l’ensemble du volume imagé. Nous illustrons le potentiel de notre approche à travers l'analyse de la morphologie, des interactions et du lignage des astrocytes du cortex cérébral de souris. Nous explorons également l’apport du Chrom-SMP pour le suivi multiplexé de projections neuronales marquées par des traceurs de couleurs distinctes sur de grandes distances. Enfin, nous présentons dans un quatrième chapitre le développement de la microscopie à trois photons multimodale, approche permettant d’augmenter la profondeur d’imagerie sur tissus vivants. / Multiphoton microscopy has transformed neurobiology since the 1990s by enabling 3D imaging of thick tissues at subcellular resolution. However the depths provided by multiphoton microscopy are limited to a few hundreds of micrometers inside scattering tissues such as the brain. In the recent years, several strategies have emerged to overcome this depth limitation and to access larger volumes of tissue. Although these novel approaches are transforming brain imaging, they currently lack efficient multicolor and multicontrast modalities. This work aims at developing large-scale and deep-tissue multiphoton imaging modalities with augmented contrast capabilities. In a first chapter, we present the challenges of high-content large-volume brain imaging, with a particular emphasis on powerful multicolor labeling strategies which have so far been restricted to limited scales. We then introduce chromatic serial multiphoton (Chrom-SMP) microscopy, a method which combines automated histology with multicolor two-photon excitation through wavelength-mixing to access multiple nonlinear contrasts across large volumes, from several mm3 to whole brains, with submicron resolution and intrinsic channel registration. In a third chapter, we explore the potential of this novel approach to open novel experimental paradigms in neurobiological studies. In particular, we demonstrate multicolor volumetric histology of several mm3 of Brainbow-labeled tissues with preserved diffraction-limited resolution and illustrate the strengths of this method through color-based tridimensional analysis of astrocyte morphology, interactions and lineage in the mouse cerebral cortex. We further illustrate the potential of the method through multiplexed whole-brain mapping of axonal projections labeled with distinct tracers. Finally, we develop multimodal three-photon microscopy as a method to access larger depths in live settings.