Metabolic and structural rearrangement during dark-induced autophagy in soybean (Glycine max L.) nodules: An electron microscopy and P-31 and C-13 nuclear magnetic resonance study

The effects of dark-induced stress on the evolution of the soluble metabolites present in senescent soybean (Glycine max L.) nodules were analysed in vitro using C-13- and P-31-NMR spectroscopy. Sucrose and trehalose were the predominant soluble storage carbons. During dark-induced stress, a decline in sugars and some key glycolytic metabolites was observed. Whereas 84% of the sucrose disappeared, only one-half of the trehalose was utilised. This decline coincides with the depletion of Gln, Asn, Ala and with an accumulation of ureides, which reflect a huge reduction of the N-2 fixation. Concomitantly, phosphodiesters and compounds like P-choline, a good marker of membrane phospholipids hydrolysis and cell autophagy, accumulated in the nodules. An autophagic process was confirmed by the decrease in cell fatty acid content. In addition, a slight increase in unsaturated fatty acids (oleic and linoleic acids) was observed, probably as a response to peroxidation reactions. Electron microscopy analysis revealed that, despite membranes dismantling, most of the bacteroids seem to be structurally intact. Taken together, our results show that the carbohydrate starvation induced in soybean by dark stress triggers a profound metabolic and structural rearrangement in the infected cells of soybean nodule which is representative of symbiotic cessation.

Ultra-high Field (7 T) MRI and a Novel Robust Segmentation of Thalamic Nuclei on DWI for Gamma Knife Surgery Purposes: The Targeting of the Ventrointermediate Nucleus

Introduction: Gamma Knife surgery (GKS) is a noninvasive neurosurgical stereotactic procedure, increasingly used as an alternative to open functional procedures. This includes the targeting of the ventrointermediate nucleus of the thalamus (e.g., Vim) for tremor. Objective: To enhance anatomic imaging for Vim GKS using high-field (7 T) MRI and Diffusion Weighted Imaging (DWI). Methods: Five young healthy subjects and two patients were scanned both on 3 and 7 T MRI. The protocol was the same in all cases, and included: T1-weighted (T1w) and DWI at 3T; susceptibility weighted images (SWI) at 7T for the visualization of thalamic subparts. SWI was further integrated into the Gamma Plan Software® (LGP, Elekta Instruments, AB, Sweden) and co-registered with 3T images. A simulation of targeting of the Vim was done using the quadrilatere of Guyot. Furthermore, a correlation with the position of the found target on SWI and also on DWI (after clustering of the different thalamic nuclei) was performed. Results: For the 5 healthy subjects, there was a good correlation between the position of the Vim on SWI, DWI and the GKS targeting. For the patients, on the pretherapeutic acquisitions, SWI helped in positioning the target. For posttherapeutic sequences, SWI supposed position of the Vim matched the corresponding contrast enhancement seen at follow-up MRI. Additionally, on the patient's follow-up T1w images, we could observe a small area of contrast-enhancement corresponding to the target used in GKS (e.g., Vim), which belongs to the Ventral-Lateral-Ventral (VLV) nuclei group. Our clustering method resulted in seven thalamic groups. Conclusion: The use of SWI provided us with a superior resolution and an improved image contrast within the central gray matter, enabling us to directly visualize the Vim. We additionally propose a novel robust method for segmenting the thalamus in seven anatomical groups based on DWI. The localization of the GKS target on the follow-up T1w images, as well as the position of the Vim on 7 T, have been used as a gold standard for the validation of VLV cluster's emplacement. The contrast enhancement corresponding to the targeted area was always localized inside the expected cluster, providing strong evidence of the VLV segmentation accuracy. The anatomical correlation between the direct visualization on 7T and the current targeting methods on 3T (e.g., quadrilatere of Guyot, histological atlases, DWI) seems to show a very good anatomical matching.

Efficiency and reliability enhancement of silicon nanocrystal field-effect luminescence from nitride-oxide gate stacks

We report on a field-effect light emitting device based on silicon nanocrystals in silicon oxide deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition. The device shows high power efficiency and long lifetime. The power efficiency is enhanced up to 0.1 %25 by the presence of a silicon nitride control layer. The leakage current reduction induced by this nitride buffer effectively increases the power efficiency two orders of magnitude with regard to similarly processed devices with solely oxide. In addition, the nitride cools down the electrons that reach the polycrystalline silicon gate lowering the formation of defects, which significantly reduces the device degradation.

Correlative microscopy.

In recent years correlative microscopy, combining the power and advantages of different imaging system, e.g., light, electrons, X-ray, NMR, etc., has become an important tool for biomedical research. Among all the possible combinations of techniques, light and electron microscopy, have made an especially big step forward and are being implemented in more and more research labs. Electron microscopy profits from the high spatial resolution, the direct recognition of the cellular ultrastructure and identification of the organelles. It, however, has two severe limitations: the restricted field of view and the fact that no live imaging can be done. On the other hand light microscopy has the advantage of live imaging, following a fluorescently tagged molecule in real time and at lower magnifications the large field of view facilitates the identification and location of sparse individual cells in a large context, e.g., tissue. The combination of these two imaging techniques appears to be a valuable approach to dissect biological events at a submicrometer level. Light microscopy can be used to follow a labelled protein of interest, or a visible organelle such as mitochondria, in time, then the sample is fixed and the exactly same region is investigated by electron microscopy. The time resolution is dependent on the speed of penetration and fixation when chemical fixatives are used and on the reaction time of the operator for cryo-fixation. Light microscopy can also be used to identify cells of interest, e.g., a special cell type in tissue or cells that have been modified by either transfections or RNAi, in a large population of non-modified cells. A further application is to find fluorescence labels in cells on a large section to reduce searching time in the electron microscope. Multiple fluorescence labelling of a series of sections can be correlated with the ultrastructure of the individual sections to get 3D information of the distribution of the marked proteins: array tomography. More and more efforts are put in either converting a fluorescence label into an electron dense product or preserving the fluorescence throughout preparation for the electron microscopy. Here, we will review successful protocols and where possible try to extract common features to better understand the importance of the individual steps in the preparation. Further the new instruments and software, intended to ease correlative light and electron microscopy, are discussed. Last but not least we will detail the approach we have chosen for correlative microscopy.

Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,

Pulsed electric field assisted sol-gel preparation of TiO2 particles and their photocatalytic properties

The objective of this thesis was to study the effect of pulsed electric field on the preparation of TiO2 nanoparticles via sol-gel method. The literature part deals with properties of different TiO2 crystal forms, principles of photocatalysis, sol-gel method and pulsed electric field processing. It was expected that the pulsed electric field would have an influence on crystallite size, specific surface area, polymorphism and photocatalytic activity of produced particles. TiO2 samples were prepared by using different frequencies and treatment times of pulsed electric field. The properties of produced TiO2 particles were examined X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and BET surface area analysis. The photocatalytic activities of produced TiO2 particles were determined by using them as photocatalysts for the degradation of formic acid under UVA-light. The photocatalytic activities of samples produced with sol-gel method were also compared with the commercial TiO2 powder Aeroxide® (Evonic Degussa GmbH). Pulsed electric field did not have an effect on the morphology of particles. Results from XRD and Raman analysis showed that all produced TiO2 samples were pure anatase. However, pulsed electric field did have an effect on crystallite size, specific surface area and photocatalytic activity of TiO2 particles. Generally, the crystallite sizes were smaller, specific surface areas larger and initial formic acid degradation rates higher for samples that were produced by applying the pulsed electric field. The higher photocatalytic activities were attributed to larger surface areas and smaller crystallite sizes. Though, with all of the TiO2 samples produced by the sol-gel method the initial formic acid degradation rates were significantly slower than with the commercial TiO2 powder.

Surface studies of limestones and dolostones : characterisation using various techniques and batch dissolution experiments with hydrochloric acid solutions

In this thesis, stepwise titration with hydrochloric acid was used to obtain chemical reactivities and dissolution rates of ground limestones and dolostones of varying geological backgrounds (sedimentary, metamorphic or magmatic). Two different ways of conducting the calculations were used: 1) a first order mathematical model was used to calculate extrapolated initial reactivities (and dissolution rates) at pH 4, and 2) a second order mathematical model was used to acquire integrated mean specific chemical reaction constants (and dissolution rates) at pH 5. The calculations of the reactivities and dissolution rates were based on rate of change of pH and particle size distributions of the sample powders obtained by laser diffraction. The initial dissolution rates at pH 4 were repeatedly higher than previously reported literature values, whereas the dissolution rates at pH 5 were consistent with former observations. Reactivities and dissolution rates varied substantially for dolostones, whereas for limestones and calcareous rocks, the variation can be primarily explained by relatively large sample standard deviations. A list of the dolostone samples in a decreasing order of initial reactivity at pH 4 is: 1) metamorphic dolostones with calcite/dolomite ratio higher than about 6% 2) sedimentary dolostones without calcite 3) metamorphic dolostones with calcite/dolomite ratio lower than about 6% The reactivities and dissolution rates were accompanied by a wide range of experimental techniques to characterise the samples, to reveal how different rocks changed during the dissolution process, and to find out which factors had an influence on their chemical reactivities. An emphasis was put on chemical and morphological changes taking place at the surfaces of the particles via X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Supporting chemical information was obtained with X-Ray Fluorescence (XRF) measurements of the samples, and Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS) and Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry (ICP-OES) measurements of the solutions used in the reactivity experiments. Information on mineral (modal) compositions and their occurrence was provided by X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-ray analysis (EDX) and studying thin sections with a petrographic microscope. BET (Brunauer, Emmet, Teller) surface areas were determined from nitrogen physisorption data. Factors increasing chemical reactivity of dolostones and calcareous rocks were found to be sedimentary origin, higher calcite concentration and smaller quartz concentration. Also, it is assumed that finer grain size and larger BET surface areas increase the reactivity although no certain correlation was found in this thesis. Atomic concentrations did not correlate with the reactivities. Sedimentary dolostones, unlike metamorphic ones, were found to have porous surface structures after dissolution. In addition, conventional (XPS) and synchrotron based (HRXPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy were used to study bonding environments on calcite and dolomite surfaces. Both samples are insulators, which is why neutralisation measures such as electron flood gun and a conductive mask were used. Surface core level shifts of 0.7 ± 0.1 eV for Ca 2p spectrum of calcite and 0.75 ± 0.05 eV for Mg 2p and Ca 3s spectra of dolomite were obtained. Some satellite features of Ca 2p, C 1s and O 1s spectra have been suggested to be bulk plasmons. The origin of carbide bonds was suggested to be beam assisted interaction with hydrocarbons found on the surface. The results presented in this thesis are of particular importance for choosing raw materials for wet Flue Gas Desulphurisation (FGD) and construction industry. Wet FGD benefits from high reactivity, whereas construction industry can take advantage of slow reactivity of carbonate rocks often used in the facades of fine buildings. Information on chemical bonding environments may help to create more accurate models for water-rock interactions of carbonates.

Atomic Force Microscopy Investigation of NI Particles Deposited on Porous Silicon

In this thesis properties and influence of modification techniques of porous silicon were studied by Atomic Force Microscope (AFM). This device permits to visualize the surface topography and to study properties of the samples on atomic scale, which was necessary for recent investigation. Samples of porous silicon were obtained by electrochemical etching. Nickel particles were deposited by two methods: electrochemical deposition and extracting from NiCl2 ethanol solution. Sample growth was conducted in Saint-Petersburg State Electrotechnical University, LETI. Kelvin probe force microscopy (KPFM) and Magnetic force microscopy (MFM) were utilized for detailed information about surface properties of the samples. Measurements showed the difference in morphology correlating with initial growth conditions. Submicron size particles were clearly visible on surfaces of the treated samples. Although their nature was not clarified due to limitations of AFM technique. It is expected that surfaces were covered by nanometer scale Ni particles, which can be verified by implication of RAMAN device.

Spectrally Tuned Lanthanide Photoluminescence for Point-of-Care Testing

Point-of-care (POC) –diagnostics is a field with rapidly growing market share. As these applications become more widely used, there is an increasing pressure to improve their performance to match the one of a central laboratory tests. Lanthanide luminescence has been widely utilized in diagnostics because of the numerous advantages gained by the utilization of time-resolved or anti-Stokes detection. So far the use of lanthanide labels in POC has been scarce due to limitations set by the instrumentation required for their detection and the shortcomings, e.g. low brightness, of these labels. Along with the advances in the research of lanthanide luminescence, and in the field of semiconductors, these materials are becoming a feasible alternative for the signal generation also in the future POC assays. The aim of this thesis was to explore ways of utilizing time-resolved detection or anti-Stokes detection in POC applications. The long-lived fluorescence for the time-resolved measurement can be produced with lanthanide chelates. The ultraviolet (UV) excitation required by these chelates is cumbersome to produce with POC compatible fluorescence readers. In this thesis the use of a novel light-harvesting ligand was studied. This molecule can be used to excite Eu(III)-ions at wavelengths extending up to visible part of the spectrum. An enhancement solution based on this ligand showed a good performance in a proof-of-concept -bioaffinity assay and produced a bright signal upon 365 nm excitation thanks to the high molar absorptivity of the chelate. These features are crucial when developing miniaturized readers for the time-resolved detection of fluorescence. Upconverting phosphors (UCPs) were studied as an internal light source in glucose-sensing dry chemistry test strips and ways of utilizing their various emission wavelengths and near-infrared excitation were explored. The use of nanosized NaYF :Yb3+,Tm3+-particles enabled the replacement of an external UV-light source with a NIR-laser and gave an additional degree of freedom in the optical setup of the detector instrument. The new method enabled a blood glucose measurement with results comparable to a current standard method of measuring reflectance. Microsized visible emitting UCPs were used in a similar manner, but with a broad absorbing indicator compound filtering the excitation and emission wavelengths of the UCP. This approach resulted in a novel way of benefitting from the non-linear relationship between the excitation power and emission intensity of the UCPs, and enabled the amplification of the signal response from the indicator dye.

Bioimage informatics in STED super-resolution microscopy

Optical microscopy is living its renaissance. The diffraction limit, although still physically true, plays a minor role in the achievable resolution in far-field fluorescence microscopy. Super-resolution techniques enable fluorescence microscopy at nearly molecular resolution. Modern (super-resolution) microscopy methods rely strongly on software. Software tools are needed all the way from data acquisition, data storage, image reconstruction, restoration and alignment, to quantitative image analysis and image visualization. These tools play a key role in all aspects of microscopy today – and their importance in the coming years is certainly going to increase, when microscopy little-by-little transitions from single cells into more complex and even living model systems. In this thesis, a series of bioimage informatics software tools are introduced for STED super-resolution microscopy. Tomographic reconstruction software, coupled with a novel image acquisition method STED< is shown to enable axial (3D) super-resolution imaging in a standard 2D-STED microscope. Software tools are introduced for STED super-resolution correlative imaging with transmission electron microscopes or atomic force microscopes. A novel method for automatically ranking image quality within microscope image datasets is introduced, and it is utilized to for example select the best images in a STED microscope image dataset.

Investigating Microbial Trace-fossils and Abiotic Alteration in Hydrovolcanic Tuffs of the Fort Rock Volcanic Field, Oregon

Microbial ichnofossils in volcanic rocks provide a significant record of subsurface microbes and potentially extraterrestrial biosignatures. Here, the textures, mineralogy, and geochemistry of two continental basaltic hydrovolcanic deposits - Reed Rocks and Black Hills - in the Fort Rock Volcanic Field (FRVF) are investigated. Methods include petrographic microscopy, micro and powder X-ray diffraction, SEM/BSE/EDF imaging, energy dispersive spectroscopy, stable isotopes, and X-ray fluorescence. Petrographic analysis revealed granular and tubular textures with biogenic morphologies that include terminal enlargements, septate divisions, branching forms, spiral filaments, and ovoid bodies resembling endolithic microborings described in ocean basalts. They display evidence of behaviour and a geologic context expressing their relative age and syngenicity. Differences in abiotic alteration and the abundance/morphotype assemblage of putative microborings between the sites indicate that water/rock ratio, fluid composition and flux, temperature and secondary phase formation are influences on microboring formation. This study is the first report of reputed endolithic microborings in basalts erupted in a continental lacustrine setting.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Dissecting the dynamic of Noc2p and its partners in pre-60S particles maturation

Plusieurs études ont permis la caractérisation de la structure et de la fonction du ribosome. En ce qui attrait à la biogénèse du ribosome, nombreux aspects restent à être découverts et compris de façon plus dynamique. En effet, cette biogénèse englobe une variété de voies de modifications et d’assemblages requises pour la maturation des ARNr et pour leurs liaisons avec les protéines ribosomales. De ce fait, les protéines Noc ont été caractérisées comme des facteurs d’assemblages et ont permis la découverte d’une des premières indications sur l’ordre spatio-temporel de la maturation du ribosome. Ainsi, en utilisant la levure comme modèle, notre objectif est d’étudier d’avantage l’échange des complexes composés des protéines Noc ainsi que leur localisation intranucléaire. Ainsi, la nature des interactions de Noc2p avec Noc1p et Noc3p et l’influence de l’arrêt du transport intranucléaire ont été étudiés en utilisant des promoteurs inductibles, la microscopie à fluorescence, des immunobuvardages, qRT-PCR et des purifications par affinité.