Diffusion properties of carbon nanotubes within tortuous and biological environments

L’espace extracellulaire (ECS) du cerveau est un réseau de fins canaux interstitiels situé entre neurones, cellules gliales et vaisseaux, représentant environ un cinquième du volume cérébral. Rempli de fluide interstitiel et structuré par la matrice extracellulaire (ECM), il assure le transport moléculaire, la signalisation et l’homéostasie. Malgré des décennies d’étude, sa description quantitative reste incomplète. Les mesures d’ensemble de la diffusion d’ions ont montré un ralentissement de l’ordre de deux à trois fois par rapport à la diffusion dans de l’eau. Mais ces approches globales ne permettent pas d’identifier si ce freinage provient de la géométrie cellulaire, de l’organisation de la matrice ou d’interactions transitoires.Le suivi de particules uniques (SPT) apporte une réponse en révélant, avec une précision nanométrique, des hétérogénéités locales invisibles aux méthodes classiques. L’étude fondatrice de Godin et al. a introduit les nanotubes de carbone (SWCNTs) comme sondes photostables dans le proche infrarouge, montrant que des trajectoires nanoscopiques pouvaient être suivies au cœur du tissu cérébral. Depuis, le SPT a été appliqué à divers traceurs et modèles biologiques, souvent en comparant tissus sains et pathologiques. Ces travaux ont fourni des résultats précieux mais fragmentés, parfois contradictoires avec les mesures globales.Cette thèse s’inscrit dans ce contexte en développant une plateforme combinant nanotubes de carbone ultra-courts (uCCNTs), mieux adaptés aux dimensions de l’ECS, suivi tridimensionnel et outils analytiques issus de l’étude de la diffusion anormale. Cette approche permet de dépasser les simples comparaisons descriptives pour relier la structure de la matrice, le confinement géométrique et les interactions transitoires aux propriétés de diffusion mesurées.Les résultats montrent que la diffusion dans l’ECS est hétérogène et souvent anormale. Le mouvement est brownien à court terme mais devient non linéaire à plus longue échelle, sous l’effet des obstacles cellulaires. L’hyaluronane émerge comme un régulateur clé : sa déplétion resserre les canaux et freine le transport, soulignant son rôle de « tampon » qui maintient les dimensions typiques de l’ECS. Ces observations conduisent à une vision unifiée de l’ECS, non pas comme un milieu homogène, mais comme un réseau structuré où géométrie et matrice organisent ensemble le transport.Enfin, la question d’éventuelles voies actives dans le drainage cérébral reste ouverte. Pour l’aborder, nous avons développé une approche d’imagerie in vivo basée sur des lentilles à gradient d’indice (GRIN), permettant de suivre des particules uniques dans le cerveau intact, dans des conditions plus proches de la physiologie. Cette méthode constitue une première étape vers l’identification des mécanismes qui gouvernent le drainage des métabolites, agrégats pathologiques et agents thérapeutiques, au cœur du débat sur l’existence d’un système glymphatique dans le cerveau.