Acoustique picoseconde dans une cellule biologique individuelle, Picosecond ultrasonics in a single biological cell

Mathieu Ducousso

Description

Sous la direction de Bertrand Audouin, Clément Rossignol
Thèse soutenue le 22 octobre 2010: Bordeaux 1
L’acoustique picoseconde est une technique qui permet de générer et de détecter des ondes acoustiques de longueur d’onde submicrométrique par l’utilisation d’impulsions lumineuses ultrarapides (100 fs). Si la technique commence à être appliquée industriellement pour le contrôle non-destructif de films solides micrométriques, comme les microprocesseurs, très peu d’études concernent son application aux milieux liquides ou mous, malgré son potentiel unique pour les mesures acoustiques très hautes fréquences (supérieur à la dizaine de GHz). Ce travail de thèse dresse un premier panorama d’applications possibles de la technique d’acoustique picoseconde pour l’étude d’une cellule biologique unique, dont l’épaisseur peut être d’une centaine de nanomètres à quelques micromètres. Les résolutions atteintes permettent des applications pour l’imagerie et la tomographie acoustique d’une cellule unique par la détermination locale de ses propriétés physiques. Un modèle de simulation analytique est développé pour aider à la compréhension des signaux détectés et pour la résolution du problème inverse. La génération acoustique est simulée en résolvant les équations couplées de diffusion de la chaleur et de la propagation acoustique. La détection optique est ensuite étudiée en résolvant l’équation de Maxwell où les phénomènes thermiques et acoustiques perturbent l’indice optique du matériau. Pour les besoins expérimentaux, une enceinte biologique, étanche et thermostatée, est conçue. De même, le montage laser est adapté pour permettre une détection bicolore de l’onde acoustique se propageant dans la cellule. Enfin, un microscope combinant la visualisation des cellules par épifluorescence au dispositif laser expérimental est développé. Ce dernier permet de localiser précisément les éléments subcellulaires de la cellule, pour ensuite les étudier par acoustique picoseconde. La démonstration du potentiel de la méthode pour l’imagerie cellulaire et l’évaluation de sa sensibilité est faite sur cellule végétale. Ensuite, une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques de cellules ostéoblastes (MC3T3-E1), adhérentes sur un matériau mimant une prothèse de titane, est réalisée. Puis, l’effet du peptide RGD et de la protéine BMP-2 sur les propriétés viscoélastiques de la cellule ostéoblaste est quantifié. Ce travail est réalisé en partenariat avec une équipe de recherche en bio-ingénierie et reconstruction tissulaire, l’U577.
-Acoustique picoseconde
-Cellule biologique in vitro
-Laser femtoseconde
-Expérience pompe-sonde
-Propagation acoustique en milieu viscoélastique
-Détection optique de phénomènes transitoires ultrarapides
-Diffusion Brillouin
-Mécanique de la cellule unique
The picosecond ultrasonics technique is well suited to generate and to probe acoustic waves of submicromic wavelength using ultrafast light pulses (100 fs). If the technique starts to be used for non-destructive testing in industry, for micrometric solid films (microprocessor) for example, very few applications concern liquids or soft media, despite its unique potential for acoustic measurements at very high acoustic frequencies (up to ten GHz). This PhD study gives a first comprehensive overview of the applications of the picosecond ultrasonics technique for the study of a single biological cell, the thickness of which can be from around 100 nm to a few µm. Measurement accuracy is high enough for imaging a single cell and for evaluating its local physical properties. To understand the detected data, an analytical model is developed. This model is used too for the inverse model resolution. The acoustic generation is simulated solving the coupled equations of heat diffusion and of acoustic wave propagation. Optical detection is then studied solving the Maxwell equations where both thermal and acoustic phenomena perturb optical index of the media. For experiments, a biocompatible sample holder, leakproof and thermocontrolled, is built. In the same way, the optical experimental setup is adapted to allow a two color probing of the ultrafast photo-acoustic response in a single cell. Finally, a microscope combining cell fluorescence visualisation and the picosecond ultrasonic laser setup is developed. It allows to localize precisely the cell sub-components and to probe them by the picosecond ultrasonics technique. The demonstration of the technique for the single cell imaging and the evaluation of its accuracy is performed on vegetal cells. Then, a quantitative measurement of the viscoelastic properties of single osteoblast cells (MC3T3-E1), adhering on a bone substitute material (Ti6Al4V), is performed. RGD peptide and BMP-2 proteins effects on the cell osteoblast viscoelastic properties are quantified. This work is performed with a tissue or bone substitute engineering research team.
-Picosecond ultrasonics
-In vitro biological cell
-Femtosecond laser
-Pump-probe experiments
-Acoustic propagation in viscoelastic media
-Optical detection of ultrafast phenomena
-Brillouin diffusion
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14082/document

Sujets

• Diffusion Brillouin

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 74
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

N° d’ordre : 4082
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

par Mathieu DUCOUSSO

POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique

Acoustique picoseconde dans une cellule biologique individuelle

Date de soutenance : 22 octobre 2010
Après avis de :
Rapporteurs M. B. NONGAILLARD, professeur, IEMN, Valenciennes
M. A. DEVOS, directeur de recherche - CNRS
Devant la commission d’examen formée de :
M. L. CANIONI, professeur - Université Bordeaux Président
M. B. NONGAILLARD, professeur, IEMN, Valenciennes Rapporteurs
M. A. DEVOS, directeur de recherche – CNRS
M. C. VERDIER, directeur de recherche – CNRS Examinateurs
M. B. AUDOIN, professeur - Université Bordeaux
M. C. ROSSIGNOL, chargé de recherche – CNRS
Mme. M.-C. DURRIEU, chargée de recherche – INSERM Invitée



-2010-


Remerciements :

Je remercie Marc Deschamps, directeur de recherche au CNRS, pour m’avoir
accueilli au Laboratoire de Mécanique Physique (LMP) et pour m’avoir permis de réaliser ce
travail. Je tiens aussi à le remercier pour tous les encouragements qu’il a pu me donner, lors
des stages où il m’a encadré, alors étudiant de Licence et de Master, pour m’inciter à faire de
la recherche.

Ce mémoire est le résultat d’un travail effectué au sein de l’équipe Propagation
Acoustique et Ultrasons Laser, coordonnée par Bertrand Audoin.

Je tiens à remercier Bertrand Nongaillard, professeur à l’IEMN et directeur du
département d’Opto-Acousto-Electronique de cet Institut, ainsi qu’Arnaud Devos, directeur
de recherche au CNRS et Médaille de bronze du CNRS Palmarès 2008 pour ses travaux en
acoustique picoseconde de m’avoir fait l’honneur d’examiner ce travail.

Mes remerciements vont également à Lionel Canioni, professeur à l’université de
*
Bordeaux 1 et coordinateur du SLAM ainsi qu’à Claude Verdier, directeur de recherche au
CNRS au Laboratoire de Spectrométrie Physique de l’université Joseph Fourier Grenoble 1
pour avoir accepté de participer au jury de thèse.

Je suis gré à Bertrand Audoin, professeur à l’université de Bordeaux 1, de m’avoir
encadré durant ce travail. Je remercie vivement Clément Rossignol, chargé de recherche au
CNRS, pour m’avoir encadré durant ma thèse. Je tiens à le remercier en particulier pour
m’avoir fait découvrir les bases expérimentales de la technique d’acoustique picoseconde,
pour m’avoir régulièrement encouragé, et même félicité, durant ma thèse, et pour m’avoir
remis sur les bons rails lorsque les choses devenaient difficiles. Je remercie aussi sincèrement
Marie-Christine Durrieu, chargée de recherche INSERM à l’Unité 577 de Bordeaux 2,
Biomatériaux et réparation tissulaire, notamment pour avoir encadré la partie de mes
travaux liée à la biologie, pour m’avoir permis de communiquer mes résultats en conférence
sur les biomatériaux, en Finlande et pour m’avoir permis de découvrir les joies d’une
conférence internationale à l’étranger en équipe. Ce fut un très grand plaisir de travailler
avec Marie et de bénéficier de sa gentillesse.

Je remercie chaleureusement Yannick Guillet, maître de conférence au LMP, pour son
aide précieuse à de multiples reprises, ainsi que pour les parties de pétanques et d’échecs. Je
remercie aussi vivement Thomas Dehoux, chargé de recherche au CNRS, pour les
nombreuses discussions que nous avons pu avoir, particulièrement au sujet de la
modélisation acousto-optique de ce travail. Je l’encourage aussi vivement à se mettre au port
de la moustache. Je tiens à remercier aussi très sincèrement Jean-Michel Rampnoux, maître
de conférence au CPMOH, pour m’avoir donné l’occasion d’enseigner à l’IUT, et pour toutes
les conversations scientifiques, ou autre, que nous avons pu avoir, du début de cette thèse à la
veille de la soutenance, et même après. Ce travail aurait très certainement comporté bien
moins de résultats sans son aide précieuse.


* SLAM : Short lasers : applications & materials. (http://www.cpmoh.cnrs.fr/SLAM/acceuil.html)

Au sein du laboratoire je remercie tout particulièrement Christophe Aristégui,
professeur à l’université Bordeaux 1, pour m’avoir encouragé à m’inscrire en doctorat, pour
les nombreuses discussions que nous avons pu avoir et pour tous les conseils qu’il m’a donné,
ainsi que pour son aide précieuse pour utiliser Endnote. Je remercie aussi Eric Ducasse,
maître de conférence à l’ENSAM, qui m’a encadré durant mon stage de master recherche et
avec qui j’ai appris ce qu’est une fonction de Green. Je remercie aussi les autres membres
permanents du laboratoire, en particulier Sasha, Olivier, Michel et Jean-Pierre. Je remercie
particulièrement Béatrice Desoudin ainsi que Sandrine Guit sans qui le laboratoire ne
pourrait pas fonctionner. Merci également à Cathy Blanchard pour oeuvrer quotidiennement
au bien être du laboratoire. Merci à toutes de m’avoir soutenu le jour J.

Je remercie les doctorants du laboratoire. D’abord ceux qui sont partis : je remercie
tout particulièrement Damien Ségur, maintenant devenu un ami précieux et compagnon de
chanson nocturne (accompagné de sa guitare) et que je rejoins bientôt au CEA, ainsi que
Bénédicte Levasseur, Hugues Lourmes, Mahmoud Koabaz, et les autres… Et ceux qui y sont
encore : Samuel, devenu un fidèle compagnon de travail, et qui viendra bientôt, du moins je
l’espère, nous rejoindre au CEA, ainsi qu’Allaoua et son mini laser, Abder, Emilie, Jérôme,
Alban, Jean-Philippe, Frédéric, Djoudi, … et tous les autres !

Je remercie aussi « mes collègues biologistes » avec qui j’ai énormément interagi, et
passé de très bons moments, que ce soit le matin en allant chercher les cellules ou le soir
devant un verre… Je pense en particulier à Omar, Céline, Jérome, Yifeng et Christel. Je
remercie aussi Fabien Guillemot, chargé de recherche INSERM, avec qui j’ai eu beaucoup de
plaisir à travailler lors de ma première année de thèse.

Viens le temps des amis, hors du laboratoire, mais d’un accompagnement au moins
tout aussi précieux, par exemple pour aider à ne pas craquer quand la recherche devient trop
dure, ou que l’on se sent démuni face à certains soucis de laboratoire. Je pense en premier
lieu à Marion, ma formidable colocataire et amie de longue date, et que je peine à quitter
pour Paris. Je pense aussi à tous ceux de la bande d’amis que nous formons depuis plus de 12
ans maintenant : Tristan, Romain et Nellie, Eric, Benjamin (mon futur collègue postdoc !),
Thomas et Aurélie, Fanny, Hélène, David. Je pense aussi à mes autres amis : Laurie, Antoine,
Darthos, Julien, Céline et sa famille, Abelin, David, Mareike, Marion, Sunniva…

Enfin, je tiens finalement à remercier ma famille : mon oncle Hubert, qui le premier
m’a appris la mécanique et la démarche scientifique pour comprendre un mécanisme, mes
frères et sœurs : Nicolas, Margot, Pauline et Pierre, ainsi que mes parents, Cathy et Yves,
pour leur soutient inconditionnel depuis le tout début.

C’est toujours bon d’avoir quelque chose qu’on
peut imaginer. Il est vrai que des fois ça monte
trop haut et après on se casse la gueule. Moi j’ai
souvent remarqué qu’il y a quelque chose avec
la réalité qui n’est pas encore au point.
Romain Gary, 1979






Table des matières

Chapitre 1 : Un contexte biologique...................................................................................- 7 -
1.1) Généralités sur la cellule..........................................................................................- 8 -
1.1.1) Structure et dimensions.....................................................................................- 8 -
1.1.2) Le cytosquelette ........................................................