Counter-ion effect on surfactant-DNA gel particles as controlled DNA delivery systems

The ability to entrap drugs within vehicles and subsequently release them has led to new treatments for a number of diseases. Based on an associative phase separation and interfacial diffusion approach, we developed a way to prepare DNA gel particles without adding any kind of cross-linker or organic solvent. Among the various agents studied, cationic surfactants offered particularly efficient control for encapsulation and DNA release from these DNA gel particles. The driving force for this strong association is the electrostatic interaction between the two components, as induced by the entropic increase due to the release of the respective counter-ions. However, little is known about the influence of the respective counter-ions on this surfactant-DNA interaction. Here we examined the effect of different counter-ions on the formation and properties of the DNA gel particles by mixing DNA (either single- (ssDNA) or double-stranded (dsDNA)) with the single chain surfactant dodecyltrimethylammonium (DTA). In particular, we used as counter-ions of this surfactant the hydrogen sulfate and trifluoromethane sulfonate anions and the two halides, chloride and bromide. Effects on the morphology of the particles obtained, the encapsulation of DNA and its release, as well as the haemocompatibility of these particles, are presented, using the counter-ion structure and the DNA conformation as controlling parameters. Analysis of the data indicates that the degree of counter-ion dissociation from the surfactant micelles and the polar/hydrophobic character of the counter-ion are important parameters in the final properties of the particles. The stronger interaction with amphiphiles for ssDNA than for dsDNA suggests the important role of hydrophobic interactions in DNA.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

Determination of radionuclide levels in rainwater using ion exchange resin and gamma-spectrometry.

The evaluation of radioactivity accidentally released into the atmosphere involves determining the radioactivity levels of rainwater samples. Rainwater scavenges atmospheric airborne radioactivity in such a way that surface contamination can be deduced from rainfall rate and rainwater radioactivity content. For this purpose, rainwater is usually collected in large surface collectors and then measured by gamma-spectrometry after such treatments as evaporation or iron hydroxide precipitation. We found that collectors can be adapted to accept large surface (diameter 47mm) cartridges containing a strongly acidic resin (Dowex AG 88) which is able to quantitatively extract radioactivity from rainwater, even during heavy rainfall. The resin can then be measured by gamma-spectrometry. The detection limit is 0.1Bq per sample of resin (80g) for (137)Cs. Natural (7)Be and (210)Pb can also be measured and the activity ratio of both radionuclides is comparable with those obtained through iron hydroxide precipitation and air filter measurements. Occasionally (22)Na has also been measured above the detection limit. A comparison between the evaporation method and the resin method demonstrated that 2/3 of (7)Be can be lost during the evaporation process. The resin method is simple and highly efficient at extracting radioactivity. Because of these great advantages, we anticipate it could replace former rainwater determination methods. Moreover, it does not necessitate the transportation of large rainwater volumes to the laboratory.

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action.

Evaluation of uptake and transport of ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles by human brain-derived endothelial cells.

Aim: Ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles (USPIO-NPs) are under development for imaging and drug delivery; however, their interaction with human blood-brain barrier models is not known. Materials & Methods: The uptake, reactive oxygen species production and transport of USPIO-NPs across human brain-derived endothelial cells as models of the blood-brain tumor barrier were evaluated for either uncoated, oleic acid-coated or polyvinylamine-coated USPIO-NPs. Results: Reactive oxygen species production was observed for oleic acid-coated and polyvinylamine-coated USPIO-NPs. The uptake and intracellular localization of the iron oxide core of the USPIO-NPs was confirmed by transmission electron microscopy. However, while the uptake of these USPIO-NPs by cells was observed, they were neither released by nor transported across these cells even in the presence of an external dynamic magnetic field. Conclusion: USPIO-NP-loaded filopodia were observed to invade the polyester membrane, suggesting that they can be transported by migrating angiogenic brain-derived endothelial cells.

Post-Plutonic Magmatism: from the Source to the Emplacement of an Upper Crustal Dyke Swarm, Adamello Massif, Italy

Magmas of the arc-tholeiitic and calc-alkaline differentiation suites contribute substantially to the formation of continental crust in subduction zones. Different geochemical-petrological models have been put forward to achieve evolved magmas forming large volumes of tonalitic to granitic plutons, building an important part of the continental crust. Primary magmas produced in the mantle wedge overlying the subducted slab migrate through the mantle and the crust. During the transfer, magma can accumulate in intermediate reservoirs at different levels where crystallization leads to differentiation and the heat transfer from the magma, together with gained heat from solidification, lead to partial melting of the crust. Partial melts can be assimilated and mix with more primitive magma. Moreover, already formed crystal cumulates or crystal mushes can be recycled and reactivated to transfer to higher crustal levels. Magma transport in the crust involves fow through fractures within a brittle elastic rock. The solidified magma filled crack, a dyke, can crosscut previously formed geological structures and thus serves as a relative or absolute time marker. The study area is situated in the Adamello massif. The Adamello massif is a composite of plutons that were emplaced between 42 and 29 million years. A later dyke swarm intruded into the southern part of the Adamello Batholith. A fractionation model covering dyke compositions from picrobasalts to dacites results in the cummulative crystallization of 17% olivine, 2% Cr-rich spinel, 18% clinopyroxene, 41% amphibole, 4% plagioclase and 0.1% magnetite to achieve an andesitic composition out of a hydrous primitive picrobasalt. These rocks show a similar geochemical evolution as experimental data simulating fractional crystallization and associated magma differentiation at lower crustal depth (7-10 kbar). The peraluminous, corundum normative composition is one characteristic of more evolved dacitic magmas, which has been explained in a long lasting debate with two di_erent models. Melting of mafic crust or politic material provides one model, whereas an alternative is fractionation from primary mantle derived melts. Amphibole occurring in basaltic-andesitic and andesitic dyke rocks as fractionating cumulate phase extracted from lower crustal depth (6-7.5 kbar) is driving the magmas to peraluminous, corundum normative compositions, which are represented by tonalites forming most of the Adamello Batholith. Most primitive picrobasaltic dykes have a slightly steepened chondrite normalized rare earth elements (REE) pattern and the increased enrichment of light-REE (LREE) for andesites and dacites can be explained by the fractional crystallization model originating from a picrobasalt, taking the changing fractionating phase assemblage and temperature into account. The injection of hot basaltic magma (~1050°C) in a closely spaced dyke swarm increases the surface of the contact to the mainly tonalitic wallrock. Such a setting induces partial melting of the wall rock and selective assimilation. Partial melting of the tonalite host is further expressed through intrusion breccias from basaltic dykes. Heat conduction models with instantaneous magma injection for such a dyke swarm geometry can explain features of partial melting observed in the field. Geochemical data of minerals and bulk rock further underline the selective or bulk assimilation of the tonalite host rock at upper crustal levels (~2-3 kbar), in particular with regard to light ion lithophile elements (LILE) such as Sr, Ba and Rb. Primitive picrobasalts carry an immiscible felsic assimilant as enclaves that bring along refractory rutile and zircon with textures typically found in oceanic plagiogranites or high pressure/low-temperature metamorphic rocks in general. U-Pb data implies a lower Cretaceous age for zircon not yet described as assimilant in Eocene to Oligocene magmatic rocks of the Central Southern Alps. The distribution of post-plutonic dykes in large batholiths such as the Adamello is one of the key features for understanding the regional stress field during the post-batholith emplacement cooling history. The emplacement of the regional dyke swarm covering the southern part of the Adamello massif was associated with consistent left lateral strike-slip movement along magma dilatation planes, leading to en echelon segmentation of dykes. Through the dilation by magma of pre-existing weaknesses and cracks in an otherwise uniform host rock, the dyke propagation and according orientation in the horizontal plane adjusted continuously perpendicular to least compressive remote stress σ3, resulting in an inferred rotation of the remote principal stress field. Les magmas issus des zones de subduction contribuent substantiellement à la formation de la croûte continentale. Les plutons tonalitiques et granitiques représentent, en effet, une partie importante de la croûte continentale. Des magmas primaires produits dans le 'mantle wedge ', partie du manteau se trouvant au-dessus de la plaque plongeante dans des zones de subduction, migrent à travers le manteau puis la croûte. Pendant ce transfert, le magma peut s'accumuler dans des réservoirs intermédiaires à différentes profondeurs. Le stockage de magma dans ces réservoirs engendre, d'une part, la différentiation des magmas par cristallisation fractionnée et, d'autre part, une fusion partielle la croûte continentale préexistante associée au transfert de la chaleur des magmas vers l'encaissant. Ces liquides magmatiques issus de la croûte peuvent, ensuite, se mélanger avec des magmas primaires. Le transport du magma dans la croûte implique notamment un flux de magma à travers différentes fractures recoupant les roches encaissantes élastiques. Au cours de ce processus de migration, des cumulats de cristaux ou des agrégats de cristaux encore non-solidifiés, peuvent être recyclés et réactivés pour être transportés à des niveaux supérieures de la croûte. Le terrain d'étude est situé dans le massif d'Adamello. Celui-ci est composé de plusieurs plutons mis en place entre 42 et 29 millions d'années. Dans une phase tardive de l'activité magmatique liée à ce batholite, une série de filons de composition variable allant de picrobasalte à des compositions dacitiques s'est mise en place la partie sud du massif. Deux modèles sont proposés dans la littérature, pour expliquer la formation des magmas dacitiques caractérisés par des compositions peralumineux (i.e. à corindon normatif). Le premier modèle propose que ces magmas soient issus de la fusion de matériel mafique et pélitique présent dans la partie inférieur de la croûte, alors que le deuxième modèle suggère une évolution par cristallisation fractionnée à partir de liquides primaires issus du manteau. Un modèle de cristallisation fractionnée a pu être développé pour expliquer l'évolution des filons de l'Adamello. Ce modèle explique la formation des filons dacitiques par la cristallisation fractionnée de 17% olivine, 2% spinelle riche en Cr, 18% clinopyroxène, 41% amphibole, 4% plagioclase et 0.1% magnetite à partir de liquide de compositions picrobasaltiques. Ce modèle prend en considération les contraintes pétrologiques déduites de l'observation des différents filons ainsi que du champ de stabilité des différentes phases en fonction de la température. Ces roches montrent une évolution géochimique similaire aux données expérimentales simulant la cristallisation fractionnée de magmas évoluant à des niveaux inférieurs de la croûte (7-10 kbar). Le modèle montre, en particulier, le rôle prépondérant de l'amphibole, une phase qui contrôle en particulier le caractère peralumineux des magmas différentiés ainsi que leurs compositions en éléments en traces. Des phénomènes de fusion partielle de l'encaissant tonalitique lors de la mise en place de _lons mafiques sont observée sur le terrain. L'injection du magma basaltique chaud (~1050°C) sous forme de filons rapprochés augmente la surface du contact avec l'encaissante tonalitique. Une telle situation produit la fusion partielle des roches encaissantes nécessaire à l'incorporation d'enclaves mafiques observés au sein des tonalites. Pour comprendre les conditions nécessaires pour la fusion partielle des roches encaissantes, des modèles de conduction thermique pour une injection simultanée d'une série de filons ont été développées. Des données géochimiques sur les minéraux et sur les roches totales soulignent qu'au niveau supérieur de la croûte, l'assimilation sélective ou totale de l'encaissante tonalitique modifie la composition du liquide primaire pour les éléments lithophiles tel que le Sr, Ba et Rb. Un autre aspect important concernant la pétrologie des filons de l'Adamello est la présence d'enclaves felsiques dans les filons les plus primitifs. Ces enclaves montrent, en particulier, des textures proches de celles rencontrées dans des plagiogranites océaniques ou dans des roches métamorphiques de haute pression/basse température. Ces enclaves contiennent du zircon et du rutile. La datations de ces zircons à l'aide du géochronomètre U-Pb indique un âge Crétacé inférieur. Cet âge est important, car aucune roche de cet âge n'a été considérée comme un assimilant potentiel pour des roches magmatiques d'âge Eocène à Oligocène dans les Alpes Sud Centrales. La réparation spatiale des filons post-plutoniques dans des grands batholites tel que l'Adamello, est une caractéristique clé pour la compréhension des champs de contraintes lors du refroidissement du batholite. L'orientation des filons va, en particulier, indiqué la contrainte minimal au sein des roches encaissante. La mise en place de la série de filon recoupant la partie Sud du massif de l'Adamello est associée à un décrochement senestre, un décrochement que l'on peut lié aux contraintes tectoniques régionales auxquelles s'ajoutent l'effet de la dilatation produite par la mise en place du batholite lui-même. Ce décrochement senestre produit une segmentation en échelon des filons.

Cholesterol transport from late endosomes to the Golgi regulates t-SNARE trafficking, assembly, and function

Cholesterol regulates plasma membrane (PM) association and functioning of syntaxin-4 and soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein 23 (SNAP23) in the secretory pathway. However, the molecular mechanism and cellular cholesterol pools that determine the localization and assembly of these target membrane SNAP receptors (t-SNAREs) are largely unknown. We recently demonstrated that high levels of annexin A6 (AnxA6) induce accumulation of cholesterol in late endosomes, thereby reducing cholesterol in the Golgi and PM. This leads to an impaired supply of cholesterol needed for cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) to drive Golgi vesiculation and caveolin transport to the cell surface. Using AnxA6-overexpressing cells as a model for cellular cholesterol imbalance, we identify impaired cholesterol egress from late endosomes and diminution of Golgi cholesterol as correlating with the sequestration of SNAP23/syntaxin-4 in Golgi membranes. Pharmacological accumulation of late endosomal cholesterol and cPLA2 inhibition induces a similar phenotype in control cells with low AnxA6 levels. Ectopic expression of Niemann-Pick C1 (NPC1) or exogenous cholesterol restores the location of SNAP23 and syntaxin-4 within the PM. Importantly, AnxA6-mediated mislocalization of these t-SNAREs correlates with reduced secretion of cargo via the SNAP23/syntaxin-4¿dependent constitutive exocytic pathway. We thus conclude that inhibition of late endosomal export and Golgi cholesterol depletion modulate t-SNARE localization and functioning along the exocytic pathway.

Rapid fluidic exchange microsystem for recording of fast ion channel kinetics in Xenopus oocytes.

We present a new lab-on-a-chip system for electrophysiological measurements on Xenopus oocytes. Xenopus oocytes are widely used host cells in the field of pharmacological studies and drug development. We developed a novel non-invasive technique using immobilized non-devitellinized cells that replaces the traditional "two-electrode voltage-clamp" (TEVC) method. In particular, rapid fluidic exchange was implemented on-chip to allow recording of fast kinetic events of exogenous ion channels expressed in the cell membrane. Reducing fluidic exchange times of extracellular reagent solutions is a great challenge with these large millimetre-sized cells. Fluidic switching is obtained by shifting the laminar flow interface in a perfusion channel under the cell by means of integrated poly-dimethylsiloxane (PDMS) microvalves. Reagent solution exchange times down to 20 ms have been achieved. An on-chip purging system allows to perform complex pharmacological protocols, making the system suitable for screening of ion channel ligand libraries. The performance of the integrated rapid fluidic exchange system was demonstrated by investigating the self-inhibition of human epithelial sodium channels (ENaC). Our results show that the response time of this ion channel to a specific reactant is about an order of magnitude faster than could be estimated with the traditional TEVC technique.

Measuring conduct and cost parameters in the Spanish air transport market

This paper estimates a model of airline competition for the Spanish air transport market. I test the explanatory power of alternative oligopoly models with capacity constraints. In addition, I analyse the degree of density economies. Results show that Spanish airlines conduct follows a price-leadership scheme so that it is less competitive than the Cournot solution. I also find evidence that thin routes can be considered as natural monopolies

Differences in glucose transporter gene expression between rat pancreatic alpha- and beta-cells are correlated to differences in glucose transport but not in glucose utilization.

Glucose exerts inverse effects upon the secretory function of islet alpha- and beta-cells, suppressing glucagon release and increasing insulin release. This diverse action may result from differences in glucose transport and metabolism between the two cell types. The present study compares glucose transport in rat alpha- and beta-cells. beta-Cells transcribed GLUT2 and, to a lesser extent, GLUT 1; alpha-cells contained GLUT1 but no GLUT2 mRNA. No other GLUT-like sequences were found among cDNAs from alpha- or beta-cells. Both cell types expressed 43-kDa GLUT1 protein which was enhanced by culture. The 62-kDa beta-cell GLUT2 protein was converted to a 58-kDa protein after trypsin treatment of the cells without detectable consequences upon glucose transport kinetics. In beta-cells, the rates of glucose transport were 10-fold higher than in alpha-cells. In both cell types, glucose uptake exceeded the rates of glucose utilization by a factor of 10 or more. Glycolytic flux, measured as D-[5(3)H]glucose utilization, was comparable in alpha- and beta-cells between 1 and 10 mmol/liter substrate. In conclusion, differences in glucose transporter gene expression between alpha- and beta-cells can be correlated with differences in glucose transport kinetics but not with different glucose utilization rates.

Diffusive transport in spatially periodic hydrodynamic flows

We calculate the effective diffusion coefficient in convective flows which are well described by one spatial mode. We use an expansion in the distance from onset and homogenization methods to obtain an explicit expression for the transport coefficient. We find that spatially periodic fluid flow enhances the molecular diffusion D by a term proportional to D-1. This enhancement should be easy to observe in experiments, since D is a small number.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements.

3D dose reconstruction is a verification of the delivered absorbed dose. Our aim was to describe and evaluate a 3D dose reconstruction method applied to phantoms in the context of narrow beams. A solid water phantom and a phantom containing a bone-equivalent material were irradiated on a 6 MV linac. The transmitted dose was measured by using one array of a 2D ion chamber detector. The dose reconstruction was obtained by an iterative algorithm. A phantom set-up error and organ interfraction motion were simulated to test the algorithm sensitivity. In all configurations convergence was obtained within three iterations. A local reconstructed dose agreement of at least 3% / 3mm with respect to the planned dose was obtained, except in a few points of the penumbra. The reconstructed primary fluences were consistent with the planned ones, which validates the whole reconstruction process. The results validate our method in a simple geometry and for narrow beams. The method is sensitive to a set-up error of a heterogeneous phantom and interfraction heterogeneous organ motion.

Ion-beam induced oxidation of GaAs and AlGaAs

The oxidation of GaAs and AlxGa1−xAs targets by oxygen irradiation has been studied in detail. It was found that the oxidation process is characterized by the strong preferential oxidation of Al as compared to Ga, and of Ga as compared to As. This experimental observation, which has been accurately quantified by using x‐ray photoelectron spectroscopy, is connected to the different heats of formation of the corresponding oxides. The oxide grown by ion beam oxidation shows a strong depletion in As and relatively low oxidation of As as well. The depletion can be associated with the preferential sputtering of the As oxide in respect to other compounds whereas the low oxidation is due to the low heat of formation. In contrast Al is rapidly and fully oxidized, turning the outermost layer of the altered layer to a single Al2O3 overlayer, as observed by transmission electron microscopy. The radiation enhanced diffusion of oxygen and aluminum in the altered layer explains the large thickness of these altered layers and the formation of Al oxides on top of the layers. For the case of ion‐beam oxidation of GaAs a simulation program has been developed which describes adequately the various growth mechanisms experimentally observed