Une plateforme multimodale d'imagerie et d'analyse basée sur des nanopipettes pour l'exploration de la communication cérébrale

A multimodal nanopipette-based imaging and analytical platform for exploring brain communication

• Auteur / Autrice : Martina Papa
• Direction : Aleix Guell
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/03/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau]
• Jury : Président / Présidente : Antigoni Alexandrou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aleix Guell, Robert Lazenby, Binoy Paulose Nadappuram, Frédéric Lemaître, Jean-Pierre Mothet, Luisa Ciobanu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Lazenby, Binoy Paulose Nadappuram

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs électrochimiques

Systèmes de balayage

Récepteurs NMDA

Mots clés libres

Récepteurs NMDA

D-Sérine

Microscopie de conductance ionique à balayage

Capteurs électrochimiques

NMDA receptors

D-Serine

Scanning Ion Conductance Microscopy

Electrochemical sensors

Résumé

Le cerveau, composé de milliards de neurones et de billions de synapses, communique par l'intermédiaire de neurotransmetteurs transférés des neurones émetteurs aux neurones ou cellules effecteurs. Les récepteurs du glutamate N-méthyl-D-aspartate (NMDA) sont essentiels à la physiologie du cerveau et leur dysfonctionnement est systématiquement lié à des conditions pathologiques. Les NMDAR ont besoin d'un co-agoniste, tel que la glycine ou la D-sérine, pour être activés. Bien que le rôle de la D-sérine ait été découvert il y a deux décennies, les conditions régissant la disponibilité synaptique relative et la fonction de la glycine et de la D-sérine au niveau des synapses restent insaisissables. Ce travail de doctorat aborde les questions relatives à la D-sérine en développant une technique analytique permettant d'obtenir des informations en temps réel et à haute résolution sur la concentration locale de D-sérine dans les nanodomaines synaptiques et extrasynaptiques. Des micro et nanocapteurs électrochimiques basés sur l'enzyme D-aminoacides oxydase (DAAO) sont développés. La première partie du travail se concentre sur la fabrication et la caractérisation de capteurs électrochimiques micrométriques. En outre, nous décrivons leur utilisation pour surveiller les niveaux locaux de D-sérine dans des tranches d'hippocampe vivant en phase aiguë dans des expériences physiologiques, rapportant que la libération de D-sérine augmente dans des conditions proconvulsives chimio-induites imitant l'épilepsie. La deuxième partie présente des nanocapteurs électrochimiques à base de DAAO intégrés dans des nanosondes en verre pour la microscopie de conductance ionique à balayage (SICM). Cette sonde comporte une nanopipette divisée en deux canaux : l'un abrite une nano-version du capteur basé sur le DAAO et l'autre sert à la cartographie topographique du SICM. La plateforme à double fonction qui en résulte servira à terme d'outil analytique puissant, combinant la détection locale de la D-sérine et l'acquisition d'informations topographiques.

The brain, composed of billions of neurons and trillions of synapses, communicates through neurotransmitters transferred from sender neurons to effector neurons or cells. N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptors are crucial for brain physiology and their malfunction is consistently linked with pathological conditions. NMDARs require a co-agonist, such as glycine or D-serine, for activation. Despite the two-decades-old discovery of D-serine’s role, the conditions governing the relative synaptic availability and function of glycine and D-serine at synapses remain elusive. This PhD work addresses questions about D-serine by developing an analytical technique for high-resolution, real-time information on local D-serine concentration at synaptic and extrasynaptic nanodomains. Micro- and nano- electrochemical biosensors based on the enzyme D-amino acids oxidase (DAAO) are developed. The first part of the work focuses on fabricating and characterizing micrometric electrochemical sensors. Moreover, we describe their use to monitor local D-serine levels in acute living hippocampal slices in physiological experiments, reporting that D-serine release increases under chemo-induced proconvulsive conditions mimicking epilepsy. The second part introduces electrochemical DAAO-based nano-sensors embedded in Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM) glass nanoprobes. This probe features a nanopipette divided into two channels: one housing a nano-version of the DAAO-based sensor and the other serving for SICM topographical mapping. The resulting double-functionality platform will ultimately serve as a powerful analytical tool, combining local D-serine sensing with the acquisition of local topographical information.