Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

La collaboration interprofessionnelle à l'interface des institutions socio-éducative et psychiatrique. Jeux et enjeux de l'intervention auprès de personnes en situation de handicap mental et de troubles psychiques

La prise en charge et le suivi de personnes en situation de handicap mental souffrant de troubles psychiques et se trouvant donc à l'interface des domaines socio:éducatif et psychiatrique, constituent des défis complexes en matière de collaboration interprofessionnelle. Dans le canton de Vaud, les acteurs concernés par ce problème s'efforcent depuis de nombreuses années de créer des réseaux pluridisciplinaires visant un meilleur échange entre professionnels et le développement de compétences et de connaissances permettant d'améliorer le bien:être des bénéficiaires. Ce travail se propose ainsi d'étudier et de questionner ces modalités de travail dans une perspective socioculturelle (Vygotski, 1934/1997), afin d'en comprendre le fonctionnement, d'en éclairer les mécanismes et de fournir des pistes de réflexion aux professionnels. Il repose sur un travail de terrain mené auprès des membres du Dispositif de Collaboration Psychiatrie Handicap Mental (DCPHM) du Département de psychiatrie du CHUV, dont la mission principale est de faciliter la collaboration entre les institutions socio:éducatives et psychiatriques spécialisées dans le suivi des personnes en situation de handicap mental et souffrant de troubles psychiques. Le travail empirique est basé sur une approche qualitative et compréhensive des interactions sociales, et procède par une étude de terrain approfondie. Les données recueillies sont variées : notes de terrain et récolte de documentation, enregistrement de réunions d'équipe au sein du DCPHM et de réunions de réseau, et entretiens de différents types. L'analyse montre que le travail de collaboration qui incombe à l'équipe est constitué d'obstacles qui sont autant d'occasions de développement professionnel et de construction identitaire. Les résultats mettent en lumière des mécanismes discursifs de catégorisation concourant à la fois à la construction des patients comme objets d'activité, et à la construction d'une place qui légitime les interventions de l'équipe dans le paysage socio:éducatif et psychiatrique vaudois et la met au centre de l'arène professionnelle. -- Care and follow:up for people with mental disabilities suffering from psychological disorders : therefore at the interface between the socio:educational and psychiatric fields : represent complex challenges in terms of interprofessional collaboration. In the canton of Vaud, the caregivers involved in this issue have been trying for years to build multidisciplinary networks in order to better exchange between professionals and develop skills and knowledge to improve the recipients' well:being. This work thus proposes to study and question these working methods in a sociocultural perspective (Vygotski, 1934/1997) so as to understand how they operate, highlight inherent mechanisms and provide actionable insights to the professionals. It is based on fieldwork conducted among members of the Dispositif de Collaboration Psychiatrie Handicap Mental (DCPHM), of the Psychiatry Department at the CHUV University Hospital in Lausanne, whose main mission is to facilitate collaboration between the socio:educational and psychiatric institutions specialising in monitoring people presenting with both mental handicap and psychiatric disorder. The empirical work is based on a qualitative and comprehensive approach to social interactions, and conducted based on an in:depth field study. The data collected are varied - field notes and documentation collection, recordings of team meetings within the DCPHM and network meetings, and various types of interviews. The analysis shows that the collaborative work that befalls the team consists of obstacles, all of which provide opportunities for professional development and identity construction. The results highlight discursive strategies of categorisation which contribute both to the construction of the patients as objects of activity and to building a position that legitimates the team's interventions in the socio: educational and psychiatric landscape of canton Vaud and puts it in the centre of the professional arena.

Geospatial approach for defining the Wildland-Urban Interface in the Alpine environment

Problems related to fire hazard and fire management have become in recent decades one of the most relevant issues in the Wildland-Urban Interface (WUI), that is the area where human infrastructures meet or intermingle with natural vegetation. In this paper we develop a robust geospatial method for defining and mapping the WUI in the Alpine environment, where most interactions between infrastructures and wildland vegetation concern the fire ignition through human activities, whereas no significant threats exist for infrastructures due to contact with burning vegetation. We used the three Alpine Swiss cantons of Ticino, Valais and Grisons as the study area. The features representing anthropogenic infrastructures (urban or infrastructural components of the WUI) as well as forest cover related features (wildland component of the WUI) were selected from the Swiss Topographic Landscape Model (TLM3D). Georeferenced forest fire occurrences derived from the WSL Swissfire database were used to define suitable WUI interface distances. The Random Forest algorithm was applied to estimate the importance of predictor variables to fire ignition occurrence. This revealed that buildings and drivable roads are the most relevant anthropogenic components with respect to fire ignition. We consequently defined the combination of drivable roads and easily accessible (i.e. 100 m from the next drivable road) buildings as the WUI-relevant infrastructural component. For the definition of the interface (buffer) distance between WUI infrastructural and wildland components, we computed the empirical cumulative distribution functions (ECDF) of the percentage of ignition points (observed and simulated) arising at increasing distances from the selected infrastructures. The ECDF facilitates the calculation of both the distance at which a given percentage of ignition points occurred and, in turn, the amount of forest area covered at a given distance. Finally, we developed a GIS ModelBuilder routine to map the WUI for the selected buffer distance. The approach was found to be reproducible, robust (based on statistical analyses for evaluating parameters) and flexible (buffer distances depending on the targeted final area covered) so that fire managers may use it to detect WUI according to their specific priorities.