Mécanismes moléculaires et cellulaire de l'électrotransfert de plasmides in vitro - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Molecular and cellular mechanisms of in-vitro plasmid DNA electrotransfer

Mécanismes moléculaires et cellulaire de l'électrotransfert de plasmides in vitro

Résumé

Plasmid transfer within a target cell represents a key tool in the study of biological functions and the development of new therapeutic strategies. However, the transfer of plasmids must be carried out with a minimum of side effects on the level of the target cell. The technique of electropermeabilization is a physical method based on the modulation of the native transmembrane electric potential of the cell by an external electric field. However, the rational use of the electropermeabilization in pharmacology and medicine could be done only thanks to one perfect comprehension of the mechanisms involved in the electropermeabilization at the membrane level and its cellular consequences. The mechanism of the plasmid electrotransfer is a multi-steps process with a step of plasmid/membrane interaction during the application of the electric pulses, followed after these last, of a step of plasmid translocation through the plasma membrane. This multi-disciplinary research task aims at a better comprehension of the mechanism of the plasmid electrotransfer. It integrates the study of the membrane consequences of the electropermeabilization and the study of the plasmid/ membrane interaction. The application of milliseconds and permeabilizing electric pulses induces a membrane disorder and a fast phospholipid translocation in the permeabilized regions. The electro-induced translocation of phospholipids is not associated with a loss of cell viability. The existence of the multi-steps process of the plasmid electrotransfer (membrane permeabilization, plasmid/membrane interaction and gene expression) was confirmed in various cell lines. During the application of the first electric pulse, the plasmids migrate by electrophoresis and come to interact in distinct sites from the membrane region facing the cathode. The interaction of plasmids with the permeabilized membrane would be thus a fast process (about a hundred microseconds). The plasmid/membrane complexes are stabilized in a delay of 200 ms. A distinct role from the intensity of the electric field and the number of electric pulses was highlighted. If the intensity of the electric field defines membrane surface where the interaction of the plasmid molecules takes place and in fact, the number of spots of interaction, the number of electric pulses defines the amount of plasmids presents by complex. The plasmid/membrane complexes thus formed do not diffuse laterally in the membrane. The actine cytoskeleton is not involved in the formation of these complexes but could be involved in the intracellular traffic of plasmids. Electropermeabilization and plasmid/membrane interaction disturbed the lateral mobility of membrane proteins of outer leaflet of plasma membrane. The combination of the sonoporation with the electropermeabilization makes it possible to improve the effectiveness of transfection obtained by the electropermeabilization alone. The transfer of plasmids by electro-sonoporation is a promising strategy in gene therapy.
Le transfert de plasmides au sein d'une cellule cible représente un outil clé dans l'étude de fonctions biologiques et dans le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Cependant, le transfert de plasmides doit être réalisé avec un minimum d'effets secondaires au niveau de la cellule cible. La technique d'électroperméabilisation est une méthode physique fondée sur la modulation du potentiel électrique transmembranaire natif de la cellule par un champ électrique externe. Cependant, l'utilisation rationnelle de l'électroperméabilisation en pharmacologie et en médecine ne pourra se faire que grâce à une parfaite compréhension des mécanismes impliqués lors de l'électroperméabilisation au niveau membranaire et de ses conséquences cellulaires. Le mécanisme de l'électrotransfert de plasmides est un processus multi-étapes avec une étape d'interaction plasmide/membrane perméabilisée pendant l'application des impulsions électriques, suivi après ces dernières, d'une étape de translocation du plasmide à travers la membrane plasmique. Ce travail de recherche pluridisciplinaire vise à une meilleure compréhension du mécanisme de l'électrotransfert de plasmides. Il intègre l'étude des conséquences membranaires de l'électrotransfert de plasmide et l'étude de l'interaction plasmide/membrane perméabilisée. L'application d'impulsions électriques millisecondes et perméabilisantes induit un désordre membranaire et une rapide translocation des phospholipides dans les régions perméabilisées. La translocation électro-induite des phospholipides n'est pas associée à une perte de la viabilité cellulaire. L'existence du processus multi-étapes de l'électrotransfert de plasmide (perméabilisation membranaire, interaction plasmide/membrane et expression génique) a été confirmé dans différentes lignées cellulaires. Pendant l'application de la première impulsion électrique, les molécules de plasmide migrent par électrophorèse et viennent interagir dans des sites distincts de la région membranaire faisant face à la cathode. L'interaction des molécules de plasmide avec la membrane perméabilisée serait donc un processus rapide (de l'ordre d'une centaine de microsecondes). Les complexes plasmide/membrane se stabilisent en un délai de 200 ms. Un rôle distinct de l'intensité du champ électrique et du nombre d'impulsions électriques a été mis en évidence. Si l'intensité du champ électrique définit la surface membranaire où l'interaction des molécules de plasmide a lieu et de fait, le nombre de spots d'interaction, le nombre d'impulsions électriques définit la quantité de molécules de plasmide présente par complexe. Les complexes plasmide/membrane ainsi formés ne diffusent pas latéralement dans la membrane. Le cytosquelette d'actine n'est pas impliqué dans la formation de ces complexes mais pourrait être impliqué dans le transport intracellulaire des molécules de plasmides. L'électroperméabilisation et l'interaction plasmide/membrane perturbent la mobilité latérale des protéines membranaire du feuillet externe de la membrane plasmique. La combinaison de la sonoporation avec l'électroperméabilisation permet d'améliorer l'efficacité de transfection obtenue par l'électroperméabilisation seule. Le transfert de plasmides par électro-sonoporation est une stratégie prometteuse en thérapie génique.
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Citer

Jean-Michel Escoffre. Mécanismes moléculaires et cellulaire de l'électrotransfert de plasmides in vitro. Sciences du Vivant [q-bio]. Université Paul Sabatier (Toulouse 3), 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04280318⟩

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