Vers le développement d’une plateforme pour l’étude électrochimique des mitochondries humaines.

Bruno-Mota, Uriel (2025). Vers le développement d’une plateforme pour l’étude électrochimique des mitochondries humaines. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l’énergie et des matériaux, 161 p.

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Résumé

Les mitochondries sont des organites essentiels présents dans presque toutes les cellules eucaryotes, jouant un rôle central dans la production d'énergie par phosphorylation oxydative. Elles génèrent l'adénosine triphosphate (ATP), indispensable aux processus biologiques, et participent à des fonctions vitales telles que la régulation du métabolisme, la signalisation cellulaire, l'homéostasie calcique et l'apoptose. Le dysfonctionnement mitochondrial est impliqué dans de nombreuses maladies, y compris les troubles neurodégénératifs, les maladies cardiovasculaires, le diabète et certains cancers. Comprendre les mécanismes sous-jacents de la fonction mitochondriale et de ses altérations est donc crucial pour développer de nouvelles approches diagnostiques et thérapeutiques. La caractérisation électrochimique directe des mitochondries dans des conditions physiologiques offre un moyen puissant d'étudier leurs processus bioénergétiques et redox. Cependant, cela présente des défis liés au maintien de l'intégrité des organites, à leur immobilisation sur les électrodes et à l'obtention de signaux électrochimiques sensibles et reproductibles.

Dans cette étude, nous avons développé une plateforme bioélectrochimique améliorée pour la caractérisation directe de mitochondries humaines isolées, en utilisant l'oxyde de graphène obtenu par exfoliation électrochimique de graphite (EGO) comme matériau d'électrode. Un protocole optimisé de purification des mitochondries a été établi pour préserver leur intégrité structurelle et fonctionnelle, confirmé par des techniques de microscopie. Les électrodes en graphite pyrolytique modifiées avec de l'EGO ont permis une immobilisation efficace des mitochondries sans nécessiter de couches supplémentaires, et des signaux électrochimiques fiables ont été détectés. Les propriétés structurelles de l'EGO, telles que la taille des feuillets et le degré d'oxydation, ont été déterminantes pour moduler l'activité électrochimique mitochondriale. La sonication des suspensions d'EGO ont conduit à la formation de points quantiques d'oxyde de graphène, qui interagissent avec les membranes mitochondriales et facilitent le transfert d'électrons entre la chaîne de transport des électrons et l'électrode.

Notre travail démontre l'efficacité des électrodes modifiées avec de l'EGO pour faciliter la communication électrochimique directe avec les mitochondries humaines isolées dans des conditions physiologiques. Cette plateforme bioélectrochimique optimisée permet d'approfondir la compréhension de la fonction mitochondriale et peut contribuer à la recherche sur les maladies liées aux dysfonctionnements mitochondriaux. De plus, l'utilisation potentielle d'ultramicroélectrodes, caractérisées dans cette étude pour des applications futures, pourrait améliorer la sensibilité et la résolution des mesures électrochimiques dans le domaine de l'électrochimie mitochondriale.


Mitochondria are essential organelles present in nearly all eukaryotic cells, playing a central role in energy production through oxidative phosphorylation. They generate adenosine triphosphate (ATP), crucial for biological processes, and participate in vital functions such as metabolism regulation, cell signaling, calcium homeostasis, and apoptosis. Mitochondrial dysfunction is implicated in numerous diseases, including neurodegenerative disorders, cardiovascular diseases, diabetes, and certain cancers. Understanding the underlying mechanisms of mitochondrial function and its impairments is therefore critical for developing new diagnostic and therapeutic approaches. The direct electrochemical characterization of mitochondria under physiological conditions offers a powerful way to study their bioenergetic and redox processes. However, this approach poses challenges related to maintaining organelle integrity, immobilizing them on electrodes, and obtaining sensitive and reproducible electrochemical signals.

In this study, we developed an enhanced bioelectrochemical platform for the direct characterization of isolated human mitochondria, using graphene oxide obtained through the electrochemical exfoliation of graphite (EGO) as an electrode material. An optimized protocol for mitochondrial purification was established to preserve their structural and functional integrity, as confirmed by microscopy techniques. Pyrolytic graphite electrodes modified with EGO enabled efficient mitochondrial immobilization without requiring additional layers, and reliable electrochemical signals were detected. The structural properties of EGO, such as sheet size and degree of oxidation, were critical in modulating mitochondrial electrochemical activity. Sonication of EGO suspensions led to the formation of graphene oxide quantum dots, which interact with mitochondrial membranes and facilitate electron transfer between the electron transport chain and the electrode.

Our work demonstrates the efficacy of EGO-modified electrodes in facilitating direct electrochemical communication with isolated human mitochondria under physiological conditions. This optimized bioelectrochemical platform provides deeper insights into mitochondrial function and may contribute to research on diseases associated with mitochondrial dysfunctions. Furthermore, the potential use of ultramicroelectrodes, characterized in this study for future applications, could enhance the sensitivity and resolution of electrochemical measurements in mitochondrial electrochemistry.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	C. Tavares, Ana
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rodrigue-Gervais, Ian-Gaël
Mots-clés libres:	Électrochimie mitochondriale; Oxyde de graphène; Technique d’analyse Seahorse; Graphite pyrolytique; Ultramicroélectrodes coniques; Tungstène; Carbone pyrolytique; Voltampérométrie cyclique; Voltammetrie à onde carrée; Modélisation numérique; Mitochondrial electrochemistry; Graphene oxide; Seahorse analysis technique; Pyrolytic graphite; Conical ultramicroelectrodes; Tungsten; Pyrolytic carbon; Cyclic voltammetry; Square wave voltammetry; Numerical modeling.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	23 janv. 2026 13:33
Dernière modification:	23 janv. 2026 13:33
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16845

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