L’insuffisance cardiaque (IC) est un problème majeur de santé publique. La pénurie des greffons cardiaques et la résistance de nombreux patients aux traitements conventionnels ont poussé les chercheurs à développer de nouvelles thérapeutiques dont la thérapie cellulaire. Bien que l’idée initiale de la thérapie cellulaire ait été de repeupler la partie nécrosée du cœur par l’administration de cellules viables et fonctionnelles, leur disparition rapide alors que les bénéfices perdurent dans le temps a conduit à l’hypothèse que les cellules agiraient via un mécanisme paracrine. Les vésicules extracellulaires (VE), incluant les exosomes et les microparticules, seraient principalement impliquées dans ce processus. Elles agiraient ainsi comme de véritables navettes transportant des biomolécules actives permettant d’activer des voies de réparation endogènes dans le tissu traité. Ce projet de thèse a pu mettre en évidence : 1) La non-infériorité des VE issues de progéniteurs cardiovasculaires (Pg) dérivés de cellules souches embryonnaires humaines par rapport à leurs cellules d’origine dans un modèle murin d’IC chronique (ICC). Ces VE activeraient des voies de signalisation endogènes impliquées dans la stimulation de la prolifération cellulaire, la survie cellulaire, la réparation de l’ADN et la diminution de la fibrose. Leur contenu moléculaire spécifique, et notamment les microARN, pourrait être impliqué dans ces phénomènes. 2) L’importance du choix du type cellulaire dans la production de VE efficaces sur le plan thérapeutique puisque ni les VE dérivées de cardiomyocytes matures ni celles de cellules souches mésenchymateuses n’ont eu d’effets bénéfiques sur la fonction cardiaque de souris en ICC. 3) L’implication des VE dans l’effet paracrine des cellules, confirmée par l’amélioration de la fonction cardiaque chez des souris présentant une ICC traitées avec des VE issues de Pg dérivés d’iPS. Des tests fonctionnels in vitro ont montré que les VE auraient un rôle pro-angiogénique, pro-prolifératif et amélioreraient la survie des cellules. Une thérapie a-cellulaire aurait une réelle pertinence clinique en réglant une partie des problèmes techniques, immunologiques et sécuritaires associés aux greffes de cellules. Si cette hypothèse est confirmée, il pourrait en résulter une simplification des problèmes réglementaires, une diminution des coûts de production et de ce fait une plus grande diffusion clinique de la méthode. / Heart failure (HF) is a major public health concern. The lack of donor hearts and the resistance of numerous patients to conventional treatments has led scientists to develop new therapies such as cell therapy. The initial goal of cell therapy was to repopulate the infarcted heart by directly injecting viable and functional cells. However, the rapid disappearance of the transplanted cells contrasts with their long term, ongoing functional benefits, suggesting that cells may act through a paracrine mechanism. Extracellular vesicles (EV), including exosomes and microparticles, may be key to this process, acting as shuttles to transport bioactive macromolecules that stimulate endogenous repair pathways in the host tissue. This PhD project demonstrates: 1) The non-inferiority of EV secreted by cardiovascular progenitors (Pg) derived from human embryonic stem cells as compared to their parent cells in a mouse model of chronic HF (CHF). These EV could act by the activation of endogenous signaling pathways implicated in cell proliferation, survival, DNA repair and decreased fibrosis. Their specific content, such as miRNA, could be involved in these benefits. 2) The importance of the cell type in the production of therapeutically effective EV, since EV derived from mature cardiomyocytes and mesenchymal stem cells did not improve cardiac function in mice with CHF. 3) The importance of EV in paracrine effects of cells, confirmed by the improvement of cardiac function in mice with CHF treated with EV secreted by Pg derived from iPS cells. In vitro data shows that EV might have pro-angiogenic, pro-proliferative and pro-survival effects. An acellular therapy should be clinically relevant by reducing technical, immunological and safety problems associated with cell transplantation. If this hypothesis is confirmed, regulatory concerns would be simplified and production costs reduced, facilitating large-scale production.

L'administration de principes actifs de manière locale et externe permet de contrôler leur biodisponibilité et de prolonger leur action thérapeutique sur le site à traiter. Cependant, la délivrance au sein des couches profondes de la peau est un challenge pour la recherche dermatologique car ce tissu représente une barrière difficilement franchissable. Il permet ainsi de protéger l'organisme mais c'est un frein pour l'administration de médicaments par voie cutanée. De nombreux systèmes ont été imaginés afin d'améliorer le passage d'actifs à travers la peau : promoteurs chimiques de pénétration, méthodes électriques, vecteurs encapsulant le principe actif. Parmi ceux-ci, les vésicules montrent un fort potentiel en particulier si elles sont capables de se déformer ou fusionner avec les lipides de la peau. Notre équipe a conçu un système de vectorisation à partir d'un tensioactif catanionique, issu de l'association de deux amphiphiles de charges opposées, capable de s'auto-associer en solution aqueuse pour former des vésicules pouvant être utilisées pour l'encapsulation de principes actifs de natures variées. Ces vecteurs ont démontré par le passé leur aptitude à interagir et fusionner avec les membranes lipidiques. Dans ces travaux, nous avons donc étudié leur capacité à améliorer la pénétration cutanée de principes actifs. Les propriétés physicochimiques des vésicules sont très bien décrites dans l'eau mais une formulation dermatologique peut impliquer la présence d'additifs tels que des promoteurs de pénétration ou des agents hydratants. Les vésicules peuvent également être incorporées dans des gels aqueux pour faciliter leur application. L'influence de ces différents additifs a donc été étudiée en caractérisant systématiquement les vésicules en termes de taille, de charge, de stabilité et en évaluant la fluidité de leur membrane. Ensuite, afin d'étudier la capacité des formulations à pénétrer dans la peau, une sonde fluorescente a été encapsulée dans les vésicules. Des expériences in vitro sur peau de cochon ont permis de prouver l'importance de l'état thermodynamique de la membrane. En effet, la rétention de la sonde dans la peau est supérieure lorsque la bicouche de la vésicule est fluide. La microscopie confocale a été utilisée pour estimer la profondeur de pénétration ainsi que les chemins préférentiellement empruntés par la sonde dans la peau. Enfin, l'application de ce système à la vectorisation d'un corticostéroïde employé dans le traitement du psoriasis a validé le potentiel des vésicules catanioniques pour des usages thérapeutiques. Ces expériences ont montré une nette augmentation de la rétention cutanée grâce à nos vecteurs, en comparaison notamment avec une solution de corticoïde additionnée d'éthanol, pourtant promoteur de pénétration reconnu. / The local and external administration of drugs allows bioavailability control and sustained therapeutic action on the treatment site. Yet, the delivery to the deep layers of the skin is a challenge for dermatological research because this tissue represents an efficient barrier. It protects the organism against aggressions but it also constrains cutaneous drug delivery. Various systems have been imagined in order to improve drug passage through the skin: chemical penetration enhancers, electrical methods, drug carriers. Among these, vesicles have a strong potential, in particular if they can deform or fuse with skin lipids. Our team has designed a drug delivery system based on a catanionic surfactant, made of two oppositely charged amphiphiles. It is able to self-associate in aqueous solutions to form vesicles used to encapsulate drugs of various nature. These carriers have shown the ability to interact and fuse with lipidic membranes. In this work, we therefore studied their capacity to improve drugs' skin penetration. The vesicles' physicochemical properties are well described in water but a dermatological formulation may contain additives such as penetration enhancers or hydrating agents. The carriers can also be incorporated into aqueous gels in order to facilitate their application. The influence of these different additives was studied systematically by characterizing the vesicles in terms of size, charge, stability and by evaluating the membrane fluidity. Then, a fluorescent probe was encapsulated into the vesicles to study the formulations' ability to penetrate the skin. In vitro experiments on pig skin proved the importance of the membrane's thermodynamic state. Indeed, the probe's skin retention is higher when the vesicles' bilayer is in a fluid state. Confocal microscopy was used to estimate the penetration depth as well as the pathways followed by the probe into the skin. Finally, this system was applied to a corticosteroid used for psoriasis treatment. It confirmed the catanionic vesicles' potential for therapeutic use. These experiments showed a clear increase in cutaneous retention thanks to our carriers, in comparison with a corticoid solution containing ethanol, which is a known penetration enhancer.

L'adhésion est un processus fondamental qui influence le déclenchement et le déroulement des processus pathologiques, notamment concernant les cellules circulantes aux parois vasculaires (réaction inflammatoire dans le flux sanguin). Sa compréhention nécessite la connaissance des mécanismes biologiques impliqués mais aussi d'un cadre physique de description du mouvement sous flux d'objets déformables en interaction avec une paroi. Notre travail utilise des systèmes modèles (vésicules, billes) pour identifier le rôle de paramètres de l'adhésion (densité, mobilité des ligands membranaires, déformabilité) sur le mouvement. Le système d'interaction développé est la chélation entre un ion nickel et deux histidines. L'imidazole, partie complexante de l'histidine, va permettre de réguler la force de l'interaction. Nous avons décrit le mouvement des lipides membranaires sous flux dans le cas de vésicules en interaction forte. On a mis en évidence la présence d'un flux surfacique dépendant de la forme de l'objet et de la force de l'adhésion. En régulant l'adhésion spécifique faible de billes, nous montrons la spécificité de l'interaction, des phénomènes originaux de capture, de détachement et de déplacement en adhésion sous écoulement de cisaillement.

La sécrétion de vésicules membranaires (VMs) constitue un processus physiologique important qui a particulièrement été étudié chez les Bactéries et les Eucaryotes. La récente découverte de la production de VMs chez les Archées souligne cependant que ce phénomène est universel et suggère que le dernier ancêtre commun aux trois domaines, LUCA (Last Universal Common Ancestor), produisait certainement des VMs. Les VMs des Archées n'ayant pour le moment été étudiées que chez certaines Crénarchées (ex : G/ Sulfolobus), nous avons entrepris de caractériser les VMs produites par un groupe d'Euryarchées hyperthermophiles anaérobies, les Thermococcales. Dans la première partie de cette étude, nous avons examiné le mécanisme de production ainsi que la composition en lipides et en protéines des VMs de trois espèces de Thermococcales: Thermococcus kodakaraensis, Thermococcus gammatolerans et Thermocococus sp. 5-4. Nous avons observé que les VMs sont sécrétées par un processus de bourgeonnement à partir de l'enveloppe cellulaire similaire à la formation des ectosomes par les cellules eucaryotes. De plus, les VMs sont fréquemment libérées en groupes, formant de grosses protubérances ou des filaments ressemblant aux nanopodes récemment décrits chez les Bactéries. Des différences de structure et de composition protéique sont observées entre les VMs des trois souches étudiées. Cependant, les VMs et les membranes cellulaires d'une même souche ont des compositions protéique et lipidique très proches, confirmant que les VMs sont produites à partir des membranes des cellules. Les VMs et les membranes cellulaires des trois souches comportent notamment un récepteur de peptides de la famille OppA (Oligopeptide-binding protein A) et des homologues de cette protéine ont été identifiés dans les VMs de certaines souches de Sulfolobus.Les VMs sécrétées par les Thermococcales sont associées à de l'ADN et cette association les protègent contre la thermodégradation. Nous montrons dans notre étude que les cellules de T. kodakaraensis transformées avec le plasmide navette plC70 relâchent des VMs comportant ce plasmide. De façon intéressante, ces VMs peuvent être utilisées pour transférer pLC70 à des cellules dénuées de plasmides, suggérant que les VMs pourraient être impliquées dans le transfert d'ADN entre cellules à haute température.Dans la seconde partie de cette étude, nous nous sommes particulièrement intéressés à la souche Thermococcus nautilus, une Thermococcale produisant des VMs associées de manière sélective à deux plasmides contenus dans la cellule. L'un d'eux correspond notamment à un génome viral défectueux de la lignée d'adenovirus PRD1. Ceci indique que les VMs peuvent être un moyen de transport pour des génomes viraux et suggère que la production de VMs par des cellules ancestrales pourraient avoir joué un rôle dans l'apparition des virus.En plus d'être impliquées dans le transport de plasmides/virus, les VMs produites par T. nautilus exercent un effet toxique sur certaines souches de Thermococcales, probablement dû au convoyage de toxines. Même si ces " thermococcines " nécessitent d'être caractérisées, il s'agit de la première mise en évidence d'une activité toxique liée aux VMs chez les Thermococcales.

Les vésicules sont des bicouches lipidiques refermées sur elles même, séparant ainsi un volume intérieur du milieu extérieur. Elles sont donc utilisées dans de nombreuses applications nécessitant l'encapsulation d'une substance mais également pour la construction d'objets biomimétiques. Une nouvelle méthode simple, appelée continuous Droplet Interface Crossing Encapsulation (cDICE), a été développée pour la fabrication de vésicules de taille et de contenu finement contrôlés. Ainsi, des vésicules dans la gamme de taille 5-70 μm de diamètre et encapsulant des solutions aussi variées que des colloïdes micrométriques, protéines, cellules, solutions visqueuses (40 mPas) ou solutions salines (>300 mosm), sont produites de façon continue et à fréquence élevée (∼ 150 Hz). Des vésicules " drépanocytaires " ont également pu être produites grace à cette méthode. La drépanocytose ou anémie falciforme est une maladie génétique dont la principale conséquence est la vaso-occlusion de la circulation sanguine. La conception de canaux microfluidiques se rapprochant au mieux des conditions physiologiques (vitesse d'écoulement, concentration d'oxygène, hématocrite...) de la microcirculation a permis une approche biomimétique de la vaso-occlusion, mettant en évidence l'importance de paramètres physiques tels que la géométrie de l'écoulement, le taux d'oxygène, la présence de globules blancs et l'hémoglobine libre en solution sur la formation d'agrégats cellulaires qui pourraient jouer un rôle dans la vaso-occlusion.

Le but de ce travail était de développer des modèles mécaniques de cellules basés sur les vésicules lipidiques géantes unilamellaires (GUVs) et d'étudier les relations entre paramètres mécaniques et comportements sous contraintes. Nous avons tout d'abord réussi à modifier les propriétés structurelles des membranes soit en les décorant de polyélectrolytes (chitosane ou acide hyaluronique), soit en utilisant la transition de phase des lipides pour obtenir des membranes en phase gel. La caractérisation des membranes décorées a montré l'origine électrostatique de l'interaction polyélectrolyte/membrane, et a mis en évidence le rôle de la structure chimique des polymères sur leur conformation à la surface des vésicules. Concernant les membranes en phase gel, nous proposons un protocole astucieux permettant de préserver la forme sphérique de GUVs lors de la diminution de température. Nous avons ensuite montré que la structure de la membrane influence fortement la valeur des paramètres mécaniques et le comportement des GUVs complexes soumises à différentes contraintes (pression osmotique, chocs de pH et de sel, compression entre deux plans (microscopie à force atomique) ou force ponctuelle (extrusion de nanotubes de membrane)). Les expériences d'AFM ont révélées que la décoration rigidifie les membranes, augmentant notamment leur module de compressibilité. Le dégonflement osmotique de GUVs en phase gel a mis en évidence une grande variété de formes polyédriques, que nous avons pu retrouver numériquement en utilisant un modèle 2D élastique adapté. Nous avons enfin proposé une technique originale pour caractériser les vésicules en étudiant leur écoulement dans des géométries confinées.

Les bicouches lipidiques sont souvent utilisées comme modèle simplifié des membranes biologiques. Leurs propriétés à l'équilibre sont actuellement bien comprises. Cependant, pour se rapprocher d'une modélisation réaliste des membranes cellulaires, il faut prendre en compte les aspects hors-équilibre de ce type de membrane. L'objectif du travail de recherche, que nous présentons dans ce manuscrit, s'inscrit dans cette direction. Nous avons utilisé, comme membranes modèles actives, des bicouches lipidiques, se présentant sous la forme de vésicules géantes (GUV), contenant la bactériorhodopsine. Cette protéine est une pompe à protons activée par la lumière. Pour caractériser l'effet de l'activité protéique sur les propriétés physiques de ces membranes, nous avons mesuré leurs spectres de fluctuations. Nous avons d'abord visualisé les vésicules géantes par microscopie à contraste de phase. Nous avons ensuite utilisé une méthode de détection et d'analyse des contours des vésicules pour mesurer leurs spectres de fluctuations. En conduisant une étude comparative entre les spectres acquis en activant la protéine, et ceux acquis dans des conditions d'équilibre, nous avons découvert que la présence de l'azide de sodium est nécessaire à l'émergence d'effets actifs mesurables par nos techniques expérimentales. Nous avons aussi montré qu'en présence d'1 mM d'azide de sodium, l'amplitude des fluctuations est amplifiée de manière active. Cette amplification est particulièrement marquée aux petits vecteurs d'onde. La comparaison de ces résultats aux prédictions théoriques montre que l'activité de la bactériorhodopsine induit une baisse de la tension membranaire.

L'électroperméabilisation est un procédé fondé sur l'application d'impulsions électriques qui peuvent induire une perméabilisation réversible de la membrane plasmique de cellules vivantes. En d'autres termes: si vous soumettez une cellule à des impulsions électriques d'amplitude et de durée judicieusement choisies, vous serez alors en mesure d'introduire dans son cytoplasme des molécules d'intérêt autrement incapables de traverser son enveloppe externe, et ce sans affecter sa viabilité. Cette technique a donné lieu à diverses applications, notamment dans le cadre de la lutte contre le cancer ou des thérapies géniques. Comportant moins de risques que les méthodes de transfection virales ou chimiques, son usage est de plus en plus répandu dans la communauté médicale. Cependant, les processus de réorganisation de la membrane, au niveau microscopique, sont encore méconnus et sujets à débat. Une meilleure description de ces phénomènes permettrait d'améliorer l'efficacité et la sécurité des protocoles de traitement. Une stratégie possible pour accroître notre compréhension de l'électroperméabilisation consiste en la réalisation d'expériences sur des systèmes modèles. Cette thèse aborde l'étude de l'effet d'impulsions électriques perméabilisantes de longue durée (quelques millisecondes) sur des systèmes lipidiques artificiels, des vésicules unilamellaires géantes. Il est décrit comment ce travail sur systèmes modèles a contribué à améliorer notre compréhension fondamentale de l'électroperméabilisation, mais aussi comment il a donné lieu à deux catégories d'applications: le chargement de vésicules avec des macromolécules et la mesure de grandeurs physiques caractéristiques des bicouches lipidiques, les tensions de bord. Ces recherches comportent aussi un aspect de modélisation de l'entrée dans des cellules électroperméabilisées de différentes molécules, via la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles gouvernant l'évolution de leur concentration. Cette partie apporte des éléments de réponse visant à expliquer les différences observées expérimentalement entre le transfert de petites et de macromolécules.