Imagerie térahertz par réflexion interne totale pour la biologie. : Application à l'étude de la perméabilisation cellulaire.

par Marianne Grognot

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Guilhem Gallot.

Soutenue le 18-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Approches interdisciplinaires : fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Optique et Biosciences (laboratoire) .

Le président du jury était Lluis Maria Mir.

Le jury était composé de Guilhem Gallot, Katia Grenier, Vincent Senez, Frédéric Garet, François Hache.

Les rapporteurs étaient Katia Grenier, Vincent Senez.


  • Résumé

    Les ondes térahertz s’étendent de 0.1 à 10x1012 Hz, à la frontière entre les domaines de l’optique et des radiofréquences. Cette position intermédiaire originale en a longtemps rendu l’accès difficile : les technologies térahertz n’ont pris leur essor qu’au cours des années 90. Le domaine n’a pas encore atteint la maturité des domaines des microondes ou de l’infrarouge qui le jouxtent. Cependant, les motivations exploratoires sont fortes, de par la sensibilité spectroscopique du térahertz aux états moléculaires (rotationnels, vibrationnels..) et aux liaisons faibles établies dans et entre les molécules. Dans le cas des objets biologiques, le térahertz est particulièrement sensible à l’eau : sa quantité, son état physico-chimique et ses solutés.Nous avons mis en œuvre un montage d’imagerie en réflexion interne totale atténuée (ATR) pour pouvoir distinguer des cellules vivantes de leur milieu physiologique. Au cours de ce travail, le montage d’imagerie ATR a été caractérisé théoriquement, puis expérimentalement. La première démonstration de l’origine du contraste sur ces images térahertz a été réalisée. Il provient du contenu intracellulaire, plus spécifiquement des protéines et peptides dissouts dans le cytoplasme.Une analyse fine des mécanismes sous-jacents à la nature protéique du contraste térahertz a également été développée. Elle donne accès à des informations spectroscopiques inédites sur l’eau, les protéines dissoutes et la couche de solvatation les entourant.Mettant à profit cette compréhension de notre montage térahertz, nous l’avons proposé comme outil non invasif de suivi quantitatif de la perméabilisation de cellules en conditions physiologiques. Lors de la perméabilisation, augmentation des transferts moléculaires à travers la membrane, notre outil permet de quantifier le passage des peptides et protéines. La perméabilisation de cellules vivantes a une gamme d’application vaste, de l’entrée de fluorochromes pour l’imagerie ou de médicaments à la thérapie génique. Afin d’assurer ces passages à travers la membrane des cellules, il est nécessaire d’altérer ses propriétés, sans pour autant compromettre la viabilité cellulaire. L’étude de deux types de perméabilisation avec notre outil térahertz est proposée : la perméabilisation chimique et l’électroporation. Dans les deux cas, des mécanismes d’effet dose ont été caractérisés quantitativement. Notre outil térahertz a démontré de grands avantages devant les méthodes actuellement utilisées pour quantifier ces dynamiques de perméabilisation et en caractériser la réversibilité.

  • Titre traduit

    Terahertz imaging by total internal reflection for Biology. : Application to cell permeabilization study.


  • Résumé

    Lying between 0.1 to 10x1012 Hz, the terahertz radiation occupies a middle ground between microwaves and infrared light waves, sometimes named “the terahertz gap” for technologies relevant to generation and detection have only risen at the beginning of the 90’s and aren’t fully developed yet. Nevertheless, there are strong exploratory incentives because of terahertz spectroscopic sensitivity to molecular states (rotational, vibrational…) and weak bounds in and between molecules. In the case of biological object, terahertz waves are especially sensitive to water: its quantity, physico-chemical state and solutes. We implemented an Attenuated Total internal Reflection (ATR) imaging setup in order to distinguish live cells from their physiological bathing medium. Throughout this work, we characterized both experimentally and experimentally the ATR setup. The first demonstration of the contrast origin in the terahertz images obtained was done. It arises from the intracellular content, more specifically the proteins and peptides dissolved in the cytoplasm.A precise analysis of the underlying mechanism of this proteinaceous terahertz contrast has also been developed. It gives access to original spectroscopic information about water, dissolved proteins and the hydration shell around them.Taking advantage of our whole setup comprehension, we proposed it as a non-invasive tool for quantitative live-cell permeabilization assessment in physiological conditions. During permeabilization, aka increased molecular transfers through the cell membrane, our tool allows to quantify the transfer of peptides and proteins. Live-cell permeabilization has a large application range, from fluorochrome entry in imaging, to drugs or gene therapy. In order to ensure molecules crossing the cell membrane, it’s necessary to alter its properties without compromising cell viability.A study of two permeabilization methods is proposed: chemical permeabilization and electroporation. In both cases dose effect mechanisms were quantitatively characterized. Our terahertz tool demonstrated great advantages over classical permeabilization quantification methods and permeabilization reversibility assessment methods.


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