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1 Ecole Thématique, Porquerolles, 9 au 13 juin 2008 Notions de Biologie : de la cellule à l organisme Structure et fonctionnement Pr Catherine DUBERNET Centre d Etudes Pharmaceutiques- Université Paris XI UMR CNRS 8612 Physico-chimie Pharmacotechnie - Biopharmacie 1

2 De la cellule à l organisme ou de l organisme à la cellule? La vision de l innovation thérapeutique : centrée sur le patient 2

3 De la cellule au tissu Ecole Thématique, Porquerolles, 9 au 13 juin 2008 Les enjeux et les contraintes des applications biologiques des nanoparticules d or Pr Catherine DUBERNET Centre d Etudes Pharmaceutiques- Université Paris XI UMR CNRS 8612 Physico-chimie Pharmacotechnie - Biopharmacie suite partie 2 3

4 PLAN 1. La cellule : Les connaissances minimales requises pour éviter d en faire une boîte noire 2. Les échanges cellule / milieu extérieur : Comment les molécules traversent elles les membranes? Comment des particules traversent elles des membranes? 3. De la cellule à la barrière re tissulaire : Comment des cellules s associent elles pour devenir un tissu? 4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus : Toxicité et cytotoxicité Intensité et réversibilité des effets toxiques 5. Les mécanismes m de défense d immunitaire : Comment des objets du «non soi» seront ils perçus et éliminés? 4

5 1. «La cellule» : laquelle? 5

6 Les compartiments subcellulaires / organites intracellulaires ❺ ❸ ❻ ❹ ❷ ❶ 6

7 ❶ La membrane plasmique Épaisseur environ 5 nm PL + cholestérol Asymétrie des 2 feuillets Protéines : Transport sélectif Adhérence cellulaire Réception de signaux extracellulaires Transduction du signal Connexion au cytosquelette Support d activités enzymatiques 7

8 Insertion membranaire des protéines Résidu glucidique Hélice alpha transmembranaire (25 acides aminés hydrophobes) Ancrage membranaire via liaison covalente avec un lipide (acide gras ou phospholipide) Complexes protéiques 8

9 Quelques propriétés fondamentales des membranes Viscosité optimale à 37 C (conditionnée e par la composition en lipides) Diffusion transversale des lipides Diffusion longitudinale des lipides Mobilité de protéines membranaires démontrée par une expérience de fusion 9

10 ❷ Le cytosol et le cytosquelette Rôle du cytosquelette : permet changements morphologiques, mouvements coordonnés. Composition : microfilaments d'actine (7 à 9 nm de diamètre), microtubules (25 nm de diamètre) filaments intermédiaires (10 nm de diamètre). 10

11 «Moteur» des déplacements au sein du cytosol 11

12 Exemples de visualisation d actine et tubuline 12

13 ❸ Le noyau et la division cellulaire Membrane nucléaire Nucléole Chromatine 13

14 La membrane nucléaire : Une barrière sélective 14

15 15

16 Phase M : division cellulaire Phase G2 : croissance, préparation de la mitose Phase G1 : croissance, préparation de la réplication Phase S : Réplication de l ADN 16

17 ❹ La mitochondrie : centrale énergétique Crêtes 17

18 Quelques fonctions de la mitochondrie Production d ATP et de NADH (chaine respiratoire) Synthèse de stéroïdes hormonaux Séquestration de Ca++ Turn over des neurotransmetteurs Participation à la mort cellulaire programmée (apoptose) 18

19 ❺ Reticulum endoplasmique et appareil de Golgi 19

20 Principales fonctions : RE RUGUEUX : Synthèse des (glyco)protéines RE LISSE : Synthèse des lipides APPAREIL DE GOLGI : Maturation des protéines et formation des vésicules de sécrétion En lien avec : ENDOSOMES : Recyclage membranes et protéines de surface LYSOSOMES : Dégradation des protéines, lipides 20

21 ❻ Lysosomes : phagocytose et autophagie LYSOSOMES : Vésicules riches en hydrolases, fusionnant avec les endosomes de façon à conduire à la digestion finale du contenu. AUTOPHAGIE : Processus de survie de la cellule, consistant à détruire les organites endommagés, de façon à permettre leur remplacement. 21

22 22

23 Au final, que retenir avant tout quand on «vectorise» des particules? ❺ ❸ ❻ ❷ ❹ ❶ 23

24 PLAN 1. La cellule : Les connaissances minimales requises pour éviter d en faire une boîte noire 2. Les échanges cellule / milieu extérieur : Comment les molécules traversent elles les membranes? Comment des particules traversent elles des membranes? 3. De la cellule à la barrière re tissulaire : Comment des cellules s associent elles pour devenir un tissu? 4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus : Toxicité et cytotoxicité Intensité et réversibilité des effets toxiques 5. Les mécanismes m de défense d immunitaire : Comment des objets du «non soi» seront ils perçus et éliminés? 24

25 ❶ Passage transmembranaire des MOLECULES Diffusion PASSIVE Dans le sens du gradient de concentration Molécules non ionisées Diffusion FACILITEE Molécules hydrophiles Dans le sens du gradient de concentration Transport ACTIF Contre le gradient de concentration Consomme de l énergie canaux 25

26 ❶ Passage transmembranaire des MOLECULES Diffusion PASSIVE Dans le sens du gradient de concentration Molécules non ionisées Diffusion FACILITEE Molécules hydrophiles Dans le sens du gradient de concentration Transport ACTIF Contre le gradient de concentration Consomme de l énergie pompes ATPase 26

27 ❶ Passage transmembranaire des MOLECULES Diffusion PASSIVE Dans le sens du gradient de concentration Molécules non ionisées Diffusion FACILITEE Molécules hydrophiles Dans le sens du gradient de concentration Transport ACTIF Contre le gradient de concentration Consomme de l énergie Transporteurs (symport / antiport) 27

28 EXEMPLE 1 : Pompe Na/K Maintien d une différence de potentiel membranaire (- 70 mv) 28

29 EXEMPLE 2 : ATPase vacuolaire Acidification des endosomes 29

30 ❷ Passage transmembranaire des PARTICULES EXOCYTOSE Phénomènes sécrétoires Bourgeonnement viral ENDOCYTOSE Caveolae Puits recouverts Phagocytose Fusion / fission de vésicules 30

31 Vésicules : fusionnent pour conduire à l ENDOSOME PRECOCE, de forme irrégulière. qui se transforme en ENDOSOME TARDIF (ou corps multivésiculaire), qui se transforme ensuite en LYSOSOME SECONDAIRE, et enfin en CORPS RESIDUEL! 31

32 32

33 EXEMPLE de puits tapissés de clathrines : Endocytose de LDL médiée par récepteur Le récepteur sera ensuite dissocié de son ligand, puis recyclé à la membrane (jusqu à 100 navettes) 33

34 EXEMPLE de phagocytose : 34

35 La phagocytose peut concerner des objets de très grande taille relative par rapport aux cellules 35

36 Qu en est il de la pénétration des VIRUS? 36

37 Pénétration intracellulaire de l adenovirus 37

38 Cycle de réplication viral : le virus échappe à l acidification de l endosome. 38

39 Cas des retrovirus : ex de HIV, du virus de la grippe Virus «enveloppé» : Capside entourée d une membrane 39

40 PLAN 1. La cellule : Les connaissances minimales requises pour éviter d en faire une boîte noire 2. Les échanges cellule / milieu extérieur : Comment les molécules traversent elles les membranes? Comment des particules traversent elles des membranes? 3. De la cellule à la barrière re tissulaire : Comment des cellules s associent elles pour devenir un tissu? 4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus : Toxicité et cytotoxicité Intensité et réversibilité des effets toxiques 5. Les mécanismes m de défense d immunitaire : Comment des objets du «non soi» seront ils perçus et éliminés? 40

41 Les différents types de jonctions entre cellules Jonctions IMPERMEABLES : jonctions serrées ❶ Jonctions d ANCRAGE : desmosomes ❷❸ Jonctions COMMUNICANATES : gap jonctions ❹ 41

42 Exemple de la cellule épithéliale intestinale 42

43 Quelques molécules de jonction intercellulaire OCCLUDINE CADHERINE CONNEXINE 43

44 Quelques molécules d adhésion à la matrice extracellulaire COLLAGENE, ELASTINE Lame basale : LAMININE, FIBRONECTINE, INTEGRINES Quand les cellules adhérentes se détachent d de leur matrice extracellulaire, elles meurent par apoptose mais les cellules transformées métastasentm 44

45 PLAN 1. La cellule : Les connaissances minimales requises pour éviter d en faire une boîte noire 2. Les échanges cellule / milieu extérieur : Comment les molécules traversent elles les membranes? Comment des particules traversent elles des membranes? 3. De la cellule à la barrière re tissulaire : Comment des cellules s associent elles pour devenir un tissu? 4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus : Toxicité et cytotoxicité Intensité et réversibilité des effets toxiques 5. Les mécanismes m de défense d immunitaire : Comment des objets du «non soi» seront ils perçus et éliminés? 45

46 Nécrose, apoptose,? NECROSE Mort cellulaire accidentelle qui survient lors d'un dommage tissulaire. Les cellules enflent, la membrane cellulaire éclate, déversant le contenu cellulaire dans le tissu environnant, ce qui provoque une inflammation APOPTOSE Les cellules en apoptose vont tout d abord s'isoler des autres cellules. Puis noyau et cytoplasme vont subir une importante condensation ( significative du volume cellulaire). La membrane plasmique va ensuite bourgeonner et conduire à la formation de corps apoptotiques qui seront enfin phagocytés (reconnaissance grâce à l inversion de localisation de la PS). 46

47 47

48 Apoptose, ou mort cellulaire programmée, ou suicide cellulaire : A aucun moment il n y a relarguage du contenu cytoplasmique : aucune inflammation. Mécanismes biochimiques une voie commune passant par la mitochondrie, la protéine Bcl-2 et les caspases. Les principaux mécanismes déclencheurs : stress : hypo-oxygénation, par exemple, traitement par cytotoxiques ou corticoïdes, atteinte du DNA, transmission d un signal de mort (récepteur Fas des lymphocytes cytotoxiques, des natural killer, du facteur de nécrose TNFa ), privation de facteurs de croissance, 48

49 Lien entre apoptose et cancérisation? Des mécanismes biochimiques de réparation existent dans la cellule. L apoptose est induite quand ils sont déficients. La cancérisation apparaît quand la cellule mutée non réparée continue à se multiplier, sans contrôle... 49

50 Cytotoxicité et toxicité : quelle différence? CYTOTOXICITE TOXICITE Est évaluée in vitro Est mesurée comme : l aptitude à inhiber la croissance des cellules versus témoin, ou comme l aptitude à tuer des cellules versus témoin. Les mécanismes sont divers Est évaluée in vivo Son importance dépend : de la voie d administration, de l intensité de l effet toxique, et de sa réversibilité Doit être analysée au regard : de l application (thérapeutique ou diagnostique) de la durée du traitement du rapport bénéfice / risque 50

51 PLAN 1. La cellule : Les connaissances minimales requises pour éviter d en faire une boîte noire 2. Les échanges cellule / milieu extérieur : Comment les molécules traversent elles les membranes? Comment des particules traversent elles des membranes? 3. De la cellule à la barrière re tissulaire : Comment des cellules s associent elles pour devenir un tissu? 4. La toxicité vis à vis des cellules, des tissus : Toxicité et cytotoxicité Intensité et réversibilité des effets toxiques 5. Les mécanismes m de défense d immunitaire : Comment des objets du «non soi» seront ils perçus et éliminés? 51

52 Les différentes voies de l immunité La défense immediate (macrophages) La réponse humorale (via production d Ac par lymphocytes B) La réponse cellulaire (via lymphocytes T cytotoxiques) 52

53 53

54 Comment l immunité entre-t-elle en jeu dans le cancer? 54

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