Le travail présenté ici s'est penché sur les problèmes rencontrés sur ce type d'études protéomiques, et sur les solutions qui peuvent être explorées pour améliorer le débit d'évaluation des candidats biomarqueurs. Les peptides à méthionine sont généralement évités en raison de leur sensibilité à l'oxydation. Cependant, il semblait intéressant d'étudier leur modification endogène pouvant affecter les processus biologiques. Une première évaluation de l'impact de l'oxydation des apolipoproteins dans le cas de la maladie d'Alzheimer, a permis de mettre de côté ce biomarqueur potentiel, et de faire apparaître un certain nombre de problèmes liés au prélèvement et au stockage des échantillons biologiques. L'évaluation de dispositifs DBS (Dried Blood Spot) et Vivid à partir d'un panel de 32 protéines sanguines a permis de fournir une première solution envisageable pour maîtriser ces problèmes. Par la suite, un nouveau mode de quantification des peptides appelé MRM3 a été utilisé pour dépasser la complexité de la matrice biologique, et fournir une évaluation fiable des niveaux de concentration de 2 protéines plasmatiques, la C-Reactive protein et la TIMP-1, ainsi que 2 protéines urinaires, l'aquaporin-2 et la podocin. Pour améliorer la sensibilité d'analyse et réduire les coûts de solvants nécessaires aux analyses, l'évaluation d'une plate-forme de micro-chromatographie a été réalisée par comparaison à une plate-forme narrow-bore. Cette étude a permis de mettre en évidence l'impact important de l'effet matrice sur le processus analytique, nécessitant de développer de nouvelles stratégies de travail. Enfin, afin de réduire la complexité de l'échantillon, l'évaluation de cartouches d'extraction en phase solide à base de large taille de pores a été réalisé, et un protocole développé a permis d'analyser avec succès des enzymes contenus dans un échantillon de lessive commerciale. De plus, la durée nécessaire à la préparation d'échantillons biologiques a pu être fortement réduite en combinant une digestion rapide assistée par température combinée au dessalage en ligne, afin de permettre l'analyse quantitative des protéines qu'il contient seulement quelques heures après son arrivée au laboratoire / Over the past decade, interest in the use of biomarkers in clinical studies has greatly increased. Quantification of a candidate protein biomarker in complex samples (eg. plasma) requires targeted and multiplexed assays. Immunoassays are the gold standard for their quantification. However, with the need for targeted and multiplexed methods, recent developments in mass spectrometry (MS) make a viable alternative to ELISA. The present work has addressed the problems encountered in this type of proteomic studies, and solutions that can be explored to improve the workflow of candidate biomarker’s evaluation. Methionine peptides are generally avoided due to their susceptibility to oxidation. However, it seemed interesting to study how their endogenous modifications could affect biological processes. In a first time, apolipoproteins were dismissed as a potential biomarker of Alzheimer’s disease due to oxidation impact. In the same time, problems associated with biological sample collection and storage were highlighted. DBS (Dried Blood Spot) and Vivid device evaluation from a panel of 32 blood proteins has provided a first possible solution to overcome these troubles. Thereafter, a new peptide quantification method called MRM3 was used to overcome biological matrix complexity. Reliable level determinations of 2 plasma proteins (C-Reactive protein and TIMP-1) and 2 urinary proteins (aquaporin-2 and podocin) were obtained. To improve sensitivity and reduce analysis solvent costs, performances of a micro chromatography platform were compared to a narrow-bore platform. This study highlighted the significant impact of the matrix effect on the analytical process, requiring new strategie development. Finally, to reduce sample complexity, evaluation of wide pore solid-phase extraction cartridges has been achieved. A protocol was successfully developed to analyze enzymes contained in commercial laundry samples. Finally to optimize biological sample preparation time, heated-assisted digestion and online desalting step were successfully associated. Only few hours were then required for quantitative analysis

Depuis l'ère industrielle, les émissions des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique majoritairement d'origine anthropique, ne cessent d'augmenter. Parmi ces gaz, les principaux concernés sont le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d'azote (N2O) et le méthane (CH4).Dans le cadre de ma thèse, nous allons nous intéresser majoritairement au N2O et aussi au CH4, qui malgré leurs plus faibles quantités dans l'atmosphère, ils ont un potentiel de réchauffement global largement supérieur à celui du CO2.Ces rejets gazeux anthropiques suffisent à provoquer des modifications climatiques à court ou moyen terme. Il est donc nécessaire de comprendre les phénomènes liés à ces émissions. De nombreux réseaux européens tels que Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope, GHG-Europe et ICOS ont activement contribué à la quantification et la compréhension des émissions des gaz à effet de serre. Il subsiste cependant d'importantes incertitudes sur les bilans inter annuels de ces émissions. Afin de mieux assimiler la variabilité temporelle des émissions de N2O et CH4, il est indispensable de les mesurer continuellement dans le temps en fonction des écosystèmes, des types de sol, et de disposer d'instruments de mesure performants. Le GSMA grâce à ses compétences en instrumentation, a développé un spectromètre utilisant un laser à cascade quantique, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), dédié à la mesure in situ de flux de gaz produits par les sols. Comme dans toute expérimentation, les mesures faites par QCLAS peuvent être contaminées de bruits. Ces bruits peuvent entraîner des biais sur les valeurs de flux calculés. C'est la raison pour laquelle on s'intéressera aux méthodes d'analyses des signaux telles que les transformées en ondelettes, la décomposition en valeurs singulières, dont l'utilisation aura pour objectif d'extraire l'information utile des signaux, et permettra d'améliorer significativement le rapport signal à bruit ainsi que la dispersion des mesures. Cette thèse est organisée en trois principales parties : la première est consacrée dans un premier temps aux techniques usuelles de mesure de gaz, où nous introduirons l'instrument QCLAS. On verra ensuite trois techniques usuelles de mesure de flux à savoir : la technique des enceintes closes, l'Eddy corrélation, et le relaxed Eddy accumulation. La seconde partie portera sur les différentes procédures et méthodes de traitement pour l'optimisation de la mesure expérimentale. La dernière partie portera sur les différentes campagnes de mesures réalisées avec QCLAS. Ces applications montreront la robustesse de QCLAS ainsi que son aptitude à effectuer des mesures de terrain. / Since the industrial revolution, emissions of greenhouse gases (GHG) responsible for global warming, mainly anthropogenic, continue to increase. Among these gases, the main concerned are carbon dioxide (CO2 ), nitrous oxide (N2O ) and methane (CH4 ).In my thesis, we will focus mainly on N2O and CH4 , which despite their smaller quantities in the atmosphere, have a global warming potential higher than the CO2. These anthropogenic gas emissions are sufficient to cause climatic change in the short or medium term. It is therefore necessary to understand the phenomena linked to these emissions.Many European networks such as Euroflux, CarboEuroflux, NitroEurope, CarboEurope GHG-Europe and ICOS have actively contributed to the understanding and quantification of greenhouse gases emissions. However it remains considerable uncertainty about the inter-annual balance sheets of these emissions. To better assimilate the temporal variability of N2O and CH4 emissions, it is necessary to measure continuously over time in terms of ecosystems, soil types, and to have performance measurement tools. The GSMA with its expertise in instrumentation, has developed a spectrometer using a quantum cascade laser, QCLAS (Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer), designed to measure in situ gas flow produced by the soil. As in any experiment, QCLAS measurements may be contaminated by noise. These noises can cause biases in fluxes determination. This is why we will focus on signal proccessing methods such as wavelet transform, singular value decomposition, with the purpose of extracting useful signal informations and significantly improving the signal to noise ratio and the dispersion of measurements. This thesis is organized in three main parts: The first part is devoted first to conventional techniques for gas measurements, where we will introduce the instrument QCLAS. Then, we will examine three usual techniques of flow measurement namely: the technique of closed chambers, Eddy correlation and relaxed Eddy accumulation. The second part will focus on the different procedures and treatment methods to optimize experimental measurements. The last part will focus on the various measurements campaigns made with QCLAS. These applications demonstrate the robustness of QCLAS as well as its ability to perform field measurements.

L’analyse métalloprotéomique est un nouveau champ d’étude qui couple la détermination du protéome et l’identification, localisation et spéciation des éléments inorganiques complexés aux protéines. La faible concentration de ces hétéroéléments et la labilité possible de ceux-ci nécessite la mise en place d’outils de chimie analytique permettant une séparation des protéines à grande résolution, sans modifier la liaison protéine-hétéroélément, et une spéciation des protéines avec une technique bénéficiant d’une faible limite de détection. L’objet de cette étude est la mise en place de tels protocoles pour une application sur deux systèmes protéiques, modèles représentant les deux principales interactions métal-protéine : formation de complexes métalliques ou de liaisons covalentes. Dans une première partie, nous avons étudié la superoxyde dismutase à cuivre et zinc (CuZnSOD), protéine dont des formes mutantes sont impliquées dans une maladie neurodégénérative, la sclérose latérale amyotrophique. Les isoformes de point isoélectrique de CuZnSOD sauvage et mutante, séparées sur gel d’électrophorèse, ont été analysées par spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS). Une analyse XAS sur des protéines séparées sur gel d’électrophorèse a ainsi pour la première fois été menée. Le traitement des spectres obtenus au seuil du Zn révèle la faisabilité de cette technique et celui au seuil du Cu met notamment en évidence des différences d’état d’oxydation Cu(I) et Cu(II) entre les isoformes. Dans une seconde partie, nous avons étudié la métabolisation de l’arsenic dans le cadre de la cancérogénicité de ce métalloïde. Les protéines extraites de cellules hépatiques exposées à l’arsenic ont été séparées par électrophorèse sur gel et chromatographie en phase liquide. L’analyse des échantillons obtenus par spectrométrie de masse a mis en évidence trois espèces protéiques complexant l’arsenic. / Metalloproteomic is a new discipline which ally proteome determination and the identification, location and speciation of inorganic elements bound to proteins. The low concentration of these heteroelements and sometimes their non-covalent binding to proteins need to set up analytical tools enabling the protein separation at high resolution, without any modification of the bond protein-heteroelement, and the protein speciation with a technique presenting a low detection limit. The aim of this study is to set up such protocols on two proteic systems, depicting the two main protein-heteroelement interactions: forming of metallic complexes or covalent bonds. First, we studied copper, zinc superoxide dismutase (CuZnSOD), mutants of this protein being involved in a neurodegenerative disease, the amyotrophic lateral sclerosis. Isoelectric point isoforms of wild-type and mutant CuZnSOD, separated on electrophoresis gel, were analyzed using X-ray Absorption Spectroscopy (XAS). XAS experiments on proteins separated on electrophoresis gel were performed for the first time. Data analysis at Zn K-edge demonstrated the feasibility of this technique and the ones at the Cu K-edge highlighted oxidation states Cu(I) et Cu(II) differences between isoforms. Second, we studied arsenic metabolisation to understand its carcinogenicity. Proteins extracted from hepatic cells exposed to arsenic were separated using gel electrophoresis and liquid chromatography. Samples analysis using mass spectrometry highlighted three proteic species which bind arsenic.

Pour augmenter les performances des barres de combustible nucléaire, les mécanismes de relâchement des produits de fission (H2, He, Kr, Xe) doivent être étudiés. Ainsi, le département d’étude du combustible du CEA Cadarache a décidé d’améliorer son dispositif expérimental consacré au recuit thermique des combustibles irradiés (MERARG II). La première partie de ce mémoire s'adresse à la mesure du relâchement de gaz de fission de combustibles irradiés et soumis à des transitoire thermiques. Le choix de l'appareil s'est porté sur un analyseur de type filtre quadripolaire du fait des performances requises par le cahier des charges, une identification isotopique du Kr et Xe et des masses 4 et 2 u à la ppm. C'est un spectromètre commercial de type Residual Gaz Analyser, monté dans une enceinte à vide de très faible volume qui a nécessité des adaptations à la ligne de l'expérience MERARG II. Les performances (résolution, sensibilité, vitesse de balayage) du spectromètre ont été évaluées. Le spectromètre calibré est en cours d’installation sur une réplique en zone « froide » de MERARG II.La seconde partie de la thèse concerne des travaux de recherche sur l’adaptation à l’analyse des faibles masses d’un mode opératoire appliqué à un piège à ions RF 3D utilisant un mode par Transformé de Fourier. Nous étudions plus précisément un dispositif d’injection des ions et son mode opératoire afin d’obtenir les distributions en positions et vitesses des ions confinables. La connaissance de ces conditions initiales et de leur dispersion est importante car elles conditionnent la dynamique du signal détecté (la hauteur de la raie) et sa fluctuation, respectivement. / In order to increase fuel rod performances, the basic mechanisms that promote gas (i.e. He, H2, Kr and Xe) release from irradiated nuclear fuels must be studied. In this context, the CEA fuel study department at Cadarache decided to improve its experimental facility devoted to fuel behaviour under thermal transient by modifying the existing annealing device, called MERARG-II.The first part of this dissertation adresses the fuel gas release monitoring from irradiated fuel during thermal transient. The device choice leads to a quadrupole mass filter as mass analyser according to the specification requirement, i.e. isotopic identification of Xe, Kr and masses at 4 and 2 u. It is commercialized Residual Gas Analyser, mounted in a small-volume vacuum chamber requiring adaptations to be connected to the MERARG II line. The resolution and sensitivity of the mass spectrometer have been evaluated. The calibrated device is being installed in MERARG II replica.The second part of this dissertation relates adaptation to low-mass analysis of an RF 3D ion trap operated a Fourier Transform mode. Theoretically, using this operating mode, the lower the mass, the higher the resolution. More particularly, an ion injection device and its operating mode are studied in order to gain position and velocity distributions of confinable ions. The knowledge of these initial conditions is of a great concern as they fix the signal dynamic (peak height) and the signal fluctuation, respectively. This feasibility study, using simulation, allows us to obtain the optimal values of trap operating condition for 1-6 u mass injection and confinement with high resolution.

La pollution des produits agroalimentaires et des eaux environnementales par les substances phytosanitaires et les médicaments est une réelle préoccupation de santé publique. Il existe aujourd’hui de nombreuses méthodes d’analyses quantitatives développées sur des appareils de type triple quadripôle pour leur détection mais elles ne se préoccupent peu ou pas des résidus médicamenteux et des produits de dégradation abiotique ou biologique des polluants et sont limitées à un nombre restreint et figé de molécules.Dans ce contexte, nous avons développé une méthode d’analyse basée sur la métabolomique par chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse à ultra-haute résolution (LC-HRMS). Deux matrices (miel et eau souterraine) ont ainsi été étudiées comme preuve de concept. Nous avons montré que la LC-HRMS associée à des outils de fouille de données permet (i) une recherche ciblée de polluants prioritaires, (ii) la détection sans a priori de contaminants inattendus ou inconnus et (iii) la recherche de métabolites nécessaire à la classification des échantillons en fonction de leur métadonnée (adultération, origine géographique, etc.). Ensuite, une approche semi-quantitative ciblée large spectre a été développée et validée pour la détection de pesticides, médicaments et métabolites dans l’eau par couplage de la SPE en ligne avec l’UHPLC-ESI-HRMS. Cette méthode permet la détection de 539 contaminants organiques en 36 minutes dans 5 millilitres d’eau au seuil minimum réglementaire de 0,1 µg/L. L’étude de 26 eaux du robinet de la région parisienne a permis de mettre en évidence la présence à l’état de trace de 37 polluants dont 6 médicaments. / Pollution of agrifood and environmental water by pesticides and drugs is a real public health concern. There are many quantitative methods developed on triple quadrupole mass spectrometer for their detection, but drug residues and abiotic or biological degradation of pollutants are generally not considered and are limited to a predetermined and restricted list of molecules.In this context, we have developed an analytical method based on metabolomic analyses by high performance liquid chromatography coupled with ultra-high resolution mass spectrometry (LC-HRMS). Two matrices (honey and groundwater) were investigated as proof of concept studies. We showed that LC-HRMS associated to data mining tools enables (i) targeted analyses of pollutants, (ii) detection of untargeted and unknown xenobiotics, and (iii) detection of metabolites useful for the characterization of matrices. Then, a large targeted and semi-quantitative approach has been developed and validated for the detection of pesticides, drugs and metabolites in water samples by using on line SPE and UHPLC-ESI-HRMS. This method allowed the detection of 539 organic contaminants at the MLR of 0.1 µg/L in 36 minutes with only 5 milliliter of water. A study of 26 tap water samples from the Paris region showed the presence of 37 pollutants including 6 drugs.

L’adénocarcinome pancréatique ductal (PDAC) est une des tumeurs solides les plus malignes retrouvées dans la population humaine actuelle. Plusieurs chercheurs s’intéressent donc à trouver un nouveau traitement efficace pour ce type de cancer. Les biguanides, souvent utilisés comme antidiabétiques, intéressent de plus en plus les chercheurs par la découverte de leurs propriétés antiprolifératives. Dans notre groupe, une variété de nouveaux biguanides a été synthétisée et étudiée pour leurs propriétés antiprolifératives des cellules cancéreuses du pancréas. Nous avons identifié un biguanide avec une chaîne de phényléthynylbenzyle, appelé composé A, comme un composé de choix par son activité 800 fois plus élevée que celle de la metformine et 10 fois plus élevée que celle de la phenformine, deux biguanides commercialement disponibles. Des études in vivo ont été effectuées en greffant des cellules PDAC humaines dans l’espace sous-cutané de souris et laissées croître pendant 28 jours jusqu’à une taille de 100 mm3. Différents groupes de souris ont reçu des doses quotidiennes de 50 mg/kg de metformine, phenformine ou du composé A. Par la suite, les souris ont été sacrifiées afin de recueillir les organes et les tumeurs pour des analyses par spectrométrie de masse MALDI-TOF. Le développement d’une méthode d’analyse par MALDI-TOF a permis de localiser et quantifier les biguanides dans les organes et tumeurs. Différents paramètres, tels que le choix de matrice et la méthode de dépôt, ont été optimisés afin d’obtenir des courbes d’étalonnage par IMS des trois composés biguanides. Une accumulation du composé A est observée dans le foie et le rein. Avec une régression linéaire, les concentrations approximatives du composé A dans le rein et le foie sont de 16,8 µg/mL et 4,1 µg/mL respectivement. De plus, pour en apprendre davantage sur le mécanisme d’action des biguanides dans le traitement du cancer, une étude différentielle d’expression de certaines biomolécules a été effectuée sur les foies des différents groupes de souris traitées. Des différences d’expression de certaines biomolécules ont été observées par rapport aux foies des animaux non-traités, notamment pour le signal à m/z 558 qui montre une grande abondance de ce phospholipide seulement dans les foies traités au composé A. Bref, le mécanisme d’action des biguanides dans le traitement du cancer demeure à l’étude pour de futurs travaux et développements. / The development of new therapies against pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), one of the most malignant and deadly tumors, has become of great interest for finding effective treatment. Many research groups have studied different types of biguanides in cancer treatment which inspired our group to synthesize a library of biguanide analogs. These new compounds can inhibit the tumor growth and show a great selectivity. We identified a biguanide with a phenylethynylbenzyl side chain as our hit compound, designated as compound A, which is 800 times more active than metformin and 10 times more active than phenformin, two commercial biguanide compounds used as antidiabetics. In vivo studies have been performed where human PDAC cells have been grafted in the subcutaneous space of mice and let to grow for 28 days to about 100 mm3. Different groups of mice were exposed to daily doses of 50mg/kg of metformin, phenformin or compound A. The tumors and organs of the treated mice were recovered to analyze their mechanism of action by MALDI-TOF mass spectrometry. A method of analysis by MALDI-TOF was developed in order to locate and quantify the biguanide compounds in the treated organs and tumors. Various parameters, such as the choice of matrix and the deposition method were optimized to obtain IMS calibration curves for each biguanide compound. The analyzed organs and tumors showed accumulation of compound A in the liver and kidney. With linear regression, this semi-quantitative method allowed to determine a concentration of 16.8 µg/mL in the kidney and 4.1 µg/mL in the liver. Another objective to understand the mechanism of action of biguanides in cancer therapy is to detect molecular patterns of biomolecules that correlate with the diagnostic, the prognostic and to the response of the therapy. The livers from mice treated with compound A showed differences of expression of certain phospholipids compared to the other livers, namely at m/z 558. In short, the mechanism of action of biguanides in cancer therapy is still a work in progress for future developments.

Les protéoformes désignent toutes les formes sous lesquelles une protéine peut être présente. Cela inclut les formes portant des modifications post-traductionnelles, les isoformes et les formes résultant d’épissages alternatifs. Ces modifications peuvent influer sur la fonction d’une protéine, d’où l’intérêt de développer des méthodes sensibles, spécifiques et robustes de quantification de protéoformes pour une meilleure compréhension de mécanismes pathologiques ou la recherche de biomarqueurs. L’objectif de ce travail a été d’exploiter les avantages de la spectrométrie de masse à haute résolution pour la caractérisation et la quantification de protéoformes de protéines associées à des maladies neurodégénératives. Nous nous sommes principalement intéressés à deux protéines, la C9ORF72 et l’alpha-synucléine. Dans un premier temps, une méthode de quantification des deux isoformes de la C9ORF72 a été développée et appliquée à une cohorte de 43 cerveaux humains comprenant des cas de démences fronto-temporale (DFT) avec ou sans mutation C9ORF72. Les résultats obtenus montrent pour la première fois par spectrométrie de masse une diminution d’environ 50% de l’isoforme longue de la C9ORF72 en présence de la mutation. Dans une seconde étape, nous avons élargi l’analyse à la quantification multiplexe de 49 protéines cérébrales potentiellement impliquées dans les DFT. En parallèle, nous nous sommes intéressés aux formes tronquées de l’alpha-synucléine. Leur quantification a été réalisée par une approche top-down dans des tissus cérébraux et une approche par bottom-up dans le liquide céphalorachidien (LCR). Enfin, l’analyse a été étendue à la quantification multiplexe de l’alpha-synucléine et de la protéine tau du LCR. / Proteoforms describe the complexity of protein forms. This includes forms with post-translational modifications, isoforms and forms resulting from alternative splicing. These modifications can influence the function of a protein, hence the interest in developing sensitive, specific and robust methods for the quantification of proteoforms for a better understanding of pathological mechanisms or biomarkers discovery. The objective of this work was to take advantage of high-resolution mass spectrometry for the characterization and quantification of proteoforms associated with neurodegenerative diseases. We mainly focused on two proteins, C9ORF72 and alpha-synuclein. First, a method for quantifying the two C9ORF72 isoforms was developed and applied to a cohort of 43 human brains including cases of frontotemporal dementia (FTD) with or without C9ORF72 mutation. The results obtained show for the first time by mass spectrometry a decrease of about 50% of the long isoform of C9ORF72 in the presence of the mutation. Then, we extended the analysis to the multiplex quantification of 49 brain proteins potentially involved in FTD. In parallel, we focused on the truncated forms of alpha-synuclein. Their quantification was performed by a top-down approach in brain tissue and a bottom-up approach in cerebrospinal fluid (CSF). Finally, the analysis was extended to the multiplex quantification of alpha-synuclein and tau protein in CSF.

La thèse porte sur des études expérimentales de réactions d’ions positifs et négatifs pour lesquelles on cherche à caractériser l’effet des différentes formes d’énergie : excitation des ions parents et/ou énergie de collision sur la réactivité. Deux buts sont poursuivis. Le premier, fondamental, est de comprendre la dynamique réactionnelle des systèmes étudiés. Le deuxième est plus appliqué. Il s’agit de fournir des données pour la modélisation de la chimie des milieux complexes (ionosphères, plasmas…). Les systèmes étudiés concernent la réactivité de cations excités CH₃⁺ avec des hydrocarbures saturés et insaturés (alc-ane, -ènes et -ynes en C1 à C4) pour sonder la réactivité sur des molécules de fonctionnalité et de tailles variées ainsi que la réactivité de l’anion C₃N⁻ avec l’acétylène C₂H₂. Ces systèmes sont d’intérêt pour l’étude de l’ionosphère de Titan. Nous avons étudié la réactivité de ces systèmes sur le dispositif CERISES en fonction de l’énergie de collision et de l’énergie interne des ions parents. Les anions C₃N⁻ sont produits par attachement dissociatif d’électrons sur le précurseur BrC₃N. Les cations CH₃⁺ peuvent être formés par deux méthodes. Au laboratoire, l’impact électronique conduit, sur le méthane CH₄, à la formation de CH₃⁺ peu excité, et sur le chlorométhane CH₃Cl, à la formation de CH₃⁺ plus excité. Cette observation a permis de préparer les expériences au synchrotron SOLEIL où on utilise la photoionisation des radicaux CH₃ produits par la pyrolyse du nitrométhane CH₃NO₂ pour former les ions CH₃⁺ et contrôler leur excitation. La variation de l’énergie de photon entre 9.8 et 15 eV a permis de faire varier la distribution d’énergie vibrationnelle ou électronique des ions CH₃⁺. Le développement d’un détecteur de photoélectrons adapté à la source de radicaux a permis la réalisation d’expériences TPEPICO (Threshold PhotoElectron PhotoIon Coincidence) où les ions sont extraits de la source en coïncidence avec des électrons de seuil permettant ainsi un contrôle complet de leur énergie. Nous avons observé que l’énergie interne de CH₃⁺ peut jouer un rôle important sur sa réactivité en ouvrant certaines voies de réaction comme la dissociation séquentielle de certains produits (réactions avec le méthane, le propène…) ou bien la voie de transfert de charge endothermique (réactions avec le méthane, l’éthène) que l’énergie de collision ne favorise pas efficacement. L’observation de l’évolution de la section efficace de formation des produits en fonction des deux types d’énergie nous a également permis de discuter les mécanismes de formation de certains produits, comme ceux passant par la décomposition d’un complexe ou par des transferts plus directs. On a pu montrer que la réaction de C₃N⁻ + C₂H₂ produisait des ions C₂H⁻, CN⁻ et C₅N⁻ en faibles quantités et seulement au-dessus de seuils en énergie de collision qui excluent leur formation dans des atmosphères très froides comme celle de Titan, sauf s’il existe des processus formant les anions C₃N⁻ avec de l’énergie. / This PhD project is focused on the experimental study of reactions of positive and negative ions for which we want to characterize the effect of different energies: internal energy of parents ions and/or collisional energy on the reactivity. There are two main goals. The first is to understand the reaction dynamics of the studied systems. The second one is to obtain data for modelisation of the chemistry in complex areas (ionosphere, plasmas...). Studied systems will concern the reactivity of excited cations CH₃⁺ with saturated and unsaturated hydrocarbons (alcane, alcene and alcyne from C1 to C4) as well as the reactivity of the C₃N⁻ anion with acetylene C₂H₂. Targets are chosen for theirs different chemical functions and interesting size for theoretical studies of Titan. We have studied the reactivity of these systems on the CERISES setup as a function of internal and collisional energies of the parent ions. C₃N⁻ anions are produced by dissociative electron attachment on BrC₃N. CH₃⁺ cations can be produced by two different methods. At the LCP, electronic impact on methane CH₄ produce CH₃⁺ cations with low internal energy whereas electronic impact on chloromethane CH₃Cl produce CH₃⁺ cations with more internal energy. This observation allowed us to prepare for the experiments at the SOLEIL synchrotron where CH₃⁺ cations are produced with controlled internal energy by photoionisation of CH₃ radicals produced in-situ by pyrolysis of nitromethane CH₃NO₂. Tuning of the photon energy between 9.8 and 15 eV allowed us to change the vibrational or electronic energy distribution of the CH₃⁺ cations. The development of a photoelectron detector fitted to the radical source enabled TPEPICO experiments (Threshold PhotoElectron PhotoIon Coincidence) where ions are extracted from the source in coincidence with threshold electrons which allow a total control of their energy.We saw that the internal energy of CH₃⁺ can have an important role on its reactivity by opening paths of reaction like sequential dissociation of products (seen in reactions with methane, propene…) or endothermic charge transfer (with methane and ethene) which is not efficiently enhanced by collisional energy. From the evolution of the absolute reaction cross section with the two different energies we discussed the mechanisms of formation of the observed products (decomposition of a complex or direct transfer). The reaction C₃N⁻ + C₂H₂ produce C₂H⁻, CN⁻ and C₅N⁻ anions in small quantities and only above collisional energy threshold which exclude their formation in cold atmosphere like Titan’s one unless there is processes leading to the production of C₃N⁻ with energy.

Au cours de cette thèse, nous avons été amenés à développer des méthodes analytiques afin de contrôler la qualité de protéines thérapeutiques en tant que produits finis ou d'évaluer le potentiel de certaines protéines à être des candidats médicaments. Deux protéines ont été étudiées : l'albumine de sérum humain (HSA) et l'antithrombine (AT). Ces protéines diffèrent par leur structure, leur glycosylation et leurs activités biologiques. Une méthode d'électrophorèse capillaire de zone (CZE) a permis de séparer neuf formes dans des préparations commerciales d'HSA plasmatique, dont des formes native, cystéinylée, glyquées et tronquées. Une autre méthode CZE a permis de séparer plus de huit formes dans des préparations commerciales d'AT plasmatique, dont des formes native, latente et hétérodimérique. Les deux méthodes CZE développées ont permis de mettre en évidence des différences significatives quant à la composition de préparations commerciales d'HSA ou d'AT produites par cinq fournisseurs différents. Des méthodes d'électrophorèse capillaire couplée à la spectrométrie de masse (CE-MS), avec un analyseur quadripôle-temps de vol (Q-TOF) et une ionisation électrospray (ESI), ont également été développées. Ces méthodes CE-MS ont permis d'identifier non seulement de nombreuses glycoformes et formes apparentées de l'AT, mais également des formes dimériques. Une méthode CE-MS en conditions non-dénaturantes a permis de montrer que la forme native et la forme latente de l'AT (deux conformères) présentaient un spectre de masse spécifique, permettant de les différencier sans ambiguïté. Afin d'évaluer l'affinité de variants d'AT pour l'héparine, une méthode d'électrophorèse capillaire d'affinité (ACE) a été développée. Cette méthode ACE a permis d'analyser les variants d'AT directement à partir des surnageants de culture cellulaire dans lesquels ils sont produits. Ainsi, il a été montré que certains variants présentaient une affinité très élevée pour l'héparine, en accord avec les mutations réalisées. Enfin, dans le cadre des études d'affinité entre l'AT et l'héparine, nous avons exploré une méthode nouvelle basée sur l'analyse de la dispersion de Taylor (TDA). / During this Ph.D., we developed analytical methods in order to check the quality of therapeutic proteins as finished products or to assess the potential of some proteins to be drug candidates. Two proteins were studied : human serum albumin (HSA) and antithrombin (AT). These proteins are very different regarding their structure, glycosylation, and biological functions. A capillary zone electrophoresis (CZE) method enabled to separate nine forms in commercial preparations of HSA issued from human plasma, among which native, cysteinylated, glycated, and truncated forms. Another CZE method allowed separating more than eight forms in commercial preparations of AT issued from human plasma, among which native, latent, and heterodimeric forms. Both CZE methods enabled to highlight significant differences in the composition of marketed preparations produced by five competitive pharmaceutical companies. Capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS) methods, using a quadrupole-time of flight (Q-TOF) analyzer and electrospray ionization (ESI), were also developed. These CE-MS methods enabled to identify not only a high number of glycoforms and related forms of AT, but also dimeric forms. A CE-MS method developed in non-denaturing conditions showed that native and latent forms of AT (two conformers) exhibited a specific mass spectrum, allowing to unambiguously distinguish them. With the aim to assess the binding affinity of AT variants toward heparin, we developed an affinity capillary electrophoresis (ACE) method. This ACE method enabled to analyze AT variants directly from the cell culture supernatants used to produce them. It has been shown that some AT variants had a very high affinity for heparin, in good agreement with the performed mutations. Finally, a new method based on Taylor Dispersion Analysis (TDA) was investigated to study the affinity between AT issued from plasma and heparin.

Au cours de son cycle de vie, le principe actif se retrouve en solution dans différentes situations : dans desformes pharmaceutiques liquides, dans l’organisme et dans les eaux usées. Or, par rapport à l’état solide, lamise en solution du principe actif l’expose davantage à des facteurs susceptibles de conduire à sa dégradation.Les transformations modifient sa structure chimique et donc potentiellement ses activités pharmacologiques ettoxicologiques.L’objectif de ce travail de thèse est de présenter une méthodologie et des études visant à prédire le devenir ensolution de principes actifs et les impacts potentiels consécutifs à leur dégradation.Trois principes actifs ont été sélectionnés pour la réalisation de ce travail. Ils ont en commun de présenter,d’une part, une activité pharmacologique élevée corrélée à une toxicité potentielle de leurs produits dedégradation et, d’autre part, l'absence de données sur leurs comportements en solution. Dans tous les cas,bien que le contexte soit singulier pour chaque molécule, l’approche méthodologique suivie intègre aussi biendes travaux expérimentaux que des études ab initio et in silico.La première étude porte sur le devenir de l’apixaban, principe actif actuellement commercialisé sous formeorale solide, en solution aqueuse. Les données expérimentales ont mis en évidence des groupementschimiques du principe actif pouvant contribuer à son instabilité. L’approche ab initio a permis d’expliquer larégio-spécificité de la réaction d’hydrolyse dépendamment du pH. À partir de la structure des produits dedégradation caractérisés, l’étude de leur potentiel toxique a été réalisée par approche in silico. Ces donnéesconcourent à la démarche d'analyse et évaluation des risques déployée lors de développements de formespharmaceutiques liquides ou des situations particulières impliquant la mise en solution de l'apixaban aumoment de l'administration.De telles approches ont également été employées pour caractériser les mécanismes de photodégradation del’argatroban et évaluer le potentiel toxique des produits de dégradation. Les processus initiant laphotodégradation ont fait l’objet d’études complémentaires reposant sur des calculs d’énergies. Cesconnaissances pourront apporter le rationnel nécessaire au choix de procédés capables de réduire laphotodégradation de l’argatroban et son impact sur les patients. Elles pourront également servir à anticiper lessituations d’écarts pouvant mettre en jeu le rapport bénéfice risque du médicament telles que le mésusage oula modification de la forme pharmaceutique administrée.Enfin, dans un contexte autre que le contexte pharmaceutique, une étude de dégradation du pémétrexed parphotocatalyse via un procédé d'oxydation avancée a été réalisée. Il s'agit d'un procédé particulièrement étudiépour sa capacité à réduire l’empreinte environnementale de composés organiques en accélérant leurdégradation. Le choix de ce principe actif utilisé comme anticancéreux a été justifié par son caractère toxiqueet rémanent dans les eaux de surface, ce qui en fait un produit à haut risque environnemental. Ce travail amontré que des produits de plus faible masse résultant de la transformation photocatalytique du pémétrexedsont malheureusement plus toxiques et encore plus rémanents que la molécule mère elle-même. Ces résultatscontribuent donc à souligner que les procédés d'oxydation avancée, bien qu'efficaces pour l'élimination despolluants médicamenteux, sont à évaluer au regard de l'existence d'un risque accru pour l'environnementavant toute perspective d'utilisation à grande échelle.Les approches et les résultats présentés dans cette thèse pourront être employés pour d’autres études visant àprédire, prévenir et réduire l’impact de la dégradation du principe actif sur le patient et l’environnement. / During its life cycle, an active substance is in solution for various reasons: in a liquid pharmaceutical form, in the body and in wastewater. However, compared to the solid state, the active substance in solution exposes it more to factors likely to cause its degradation. The transformations modify its chemical structure and thus potentially its pharmacological and toxicological activities.The objective of this thesis is to present a methodology and studies aiming to predict the fate in solution of active substances and the potential impacts following their degradation.Three active ingredients have been selected for this work. They have in common, on the one hand, a high pharmacological activity correlated to a potential toxicity of their degradation products and, on the other hand, the fact that there is little information on their behaviour in solution. In all cases, although the context is specific to each molecule, the methodological approach followed integrates both experimental work and ab initio and in silico studies.The first study concerns the fate of apixaban, an active substance currently marketed in solid oral form, in aqueous solutions. The experimental data made it possible to highlight chemical groups of the active ingredient that could contribute to its own instability. The ab initio approach explained the regio-specificity of the hydrolysis reaction as a function of pH. Based on the structure of the characterized degradation products, their toxic potential was studied using an in silico approach. These data contribute to the risk analysis and evaluation process deployed at different stages of development of liquid pharmaceutical forms or in particular situations involving the solution of apixaban at the time of administration.Such approaches have also been used to characterize the photodegradation mechanisms of argatroban and assess the toxic potential of degradation products. The processes that initiate photodegradation were also addressed by calculating the energies potentially involved. This knowledge provides a rational basis for the choice of processes and formulations to limit photodegradation of argatroban and its impact on patients. They also make it possible to anticipate situations where the benefit/risk ratio of the medicinal product may be modified, such as incorrect handling or modification of the pharmaceutical form administered.Finally, in a context other than the pharmaceutical context, a study of degradation of pemetrexed by photocatalysis via an advanced oxidation process was carried out. This process is particularly studied for its ability to reduce the environmental footprint of organic compounds by accelerating their degradation. The choice of this active substance as an anti-cancer agent was justified by its toxic and persistent nature in surface waters, making it a product with a high environmental risk. This work has shown that products of lower mass produced by photocatalytic transformation of pemetrexed are unfortunately more toxic and even more persistent than the parent molecule itself. These results underline the fact that advanced oxidation processes, although effective in removing drug pollutants, must be evaluated because of an increased risk to the environment before any prospect of large-scale use.The approaches and results presented in this thesis can be used for other studies to predict, prevent and reduce the impact of active ingredient degradation on the patient and the environment.