Jury :

• Frédérique CUNIN – Directrice de Recherche, CNRS, rapporteure    .
  Guilhem LARRIEU – Directeur de Recherche, CNRS, rapporteur.
  Christine ENJALBAL – Professeure des universités, Université de Montpellier, examinatrice.
  Marie-Aline MATTELIN – Docteure, Puxano, examinatrice.
  Vincent THOMY – Professeur des universités, Université de Lille, examinateur.
  Sophie HALLIEZ – Maîtresse de conférences, Université de Lille, invitée.
  Yannick COFFINIER – Directeur de Recherche, CNRS, directeur de thèse.

Résumé :

Les maladies neurodégénératives sont des maladies chroniques progressives touchant le système nerveux central. Tandis que ces maladies ont des origines multifactorielles, leur fréquence augmente avec l’âge. En raison du vieillissement progressif de la population, et de l’absence de traitement, elles deviennent un enjeu majeur de santé publique. Pour exemple, la maladie d’Alzheimer pourrait toucher 1 personne dans le monde sur 85 d’ici 2050. C’est dans ce contexte que les chercheurs étudient différentes pistes pour permettre une meilleure compréhension de cette maladie et de ses mécanismes pathophysiologies. Ils savent aujourd’hui qu’une hyperphosphorylation de la protéine Tau et la production de formes toxiques de peptides beta-amyloïdes s’agglomérant en plaques séniles en sont les principales causes. L’origine de ces dysfonctionnements est quant à elle encore mal connue mais pourrait être élucidée par l’étude des mécanismes biochimiques intracellulaire. Dans ce contexte, nous avons imaginé un dispositif in vitro reposant sur l’utilisation de nanoaiguilles en silicium ayant la faculté de sonder le cytoplasme cellulaire de neurones pour y détecter les biomarqueurs de l’Alzheimer et en suivre l’évolution. Notre travail a reposé sur l’élaboration de ce capteur qui s’est divisée en 3 points. Le premier était la fabrication des nanoaiguilles par développement de techniques peu onéreuses comme la lithographie de nanosphère suivit de méthodes de gravure humide ou sèches. Le second point était l’optimisation de ces aiguilles pour l’identification bimodale de molécules par spectrométrie de masse (SALDI-MS) et par spectrométrie Raman exaltée de surface (SERS). Le troisième point portait sur l’étude de l’interaction entre nos aiguilles et les neurones avec à l’esprit la volonté de capture de biomarqueurs et la préservation de l’intégrité cellulaire. La lithographie de nanosphères a pu être développée, et les aiguilles ont été fabriquées selon 2 voies que sont la gravure humide assistée par métal (MACE) et la gravure sèche par gravure plasma continue. De la rhodamine 6G, des peptides standards ainsi que des peptides beta-amyloïdes ont pu être détectés par SALDI-MS et SERS sur nos réseaux d’aiguilles. Enfin nous avons constaté la biocompatibilité de nos aiguilles avec le milieu cellulaire et caractérisé leur interaction.

Abstract :

Neurodegenerative diseases are chronic progressive disorders of the central nervous system. While these diseases have multifactorial origins, their frequency increases with age. With a progressively ageing population, and no treatment available, they are becoming a major public health issue. For example, Alzheimer’s disease could affect 1 in 85 people worldwide by 2050. It is against this backdrop that researchers are exploring various avenues to gain a better understanding of this disease and its pathophysiological mechanisms. They now know that hyperphosphorylation of the Tau protein and the production of toxic forms of beta-amyloid peptides, which agglomerate to form senile plaques, are the main causes. The origins of these dysfunctions are still poorly understood, but could be elucidated by studying intracellular biochemical mechanisms. In this context, we have devised an in vitro device based on the use of silicon nanoneedles capable of probing the cell cytoplasm of neurons to detect biomarkers of Alzheimer’s disease and monitor their evolution. Our work was based on the development of this sensor, which was divided into 3 stages. The first was the fabrication of the nanoneedles by developing low-cost techniques such as nanosphere lithography followed by wet and dry etching methods. The second was the optimization of these needles for bimodal molecule identification by mass spectrometry (SALDI-MS) and surface enhanced Raman spectrometry (SERS). The third point concerned the study of the interaction between our needles and neurons, with a view to capturing biomarkers and preserving cellular integrity. Nanosphere lithography was developed, and the needles were fabricated in 2 ways: metal-assisted wet etching (MACE) and continuous plasma dry etching. Rhodamine 6G, standard peptides and beta-amyloid peptides were detected by SALDI-MS and SERS on our needle arrays. Finally, we assessed the biocompatibility of our needles with the cellular environment and characterized their interaction.