Imagerie Multimodale par Cartographie 3D en excitation pulsée : de la cellule au tissu, 3D Multimodal imaging with pulsed excitation : From cell to tissue

Elisabeth Werkmeister

Description

Sous la direction de Jean-François Stoltz, Dominique Dumas
Thèse soutenue le 09 octobre 2008: Nancy 1
L’un des enjeux de la bioingénierie consiste à synthétiser des biomatériaux visant à régénérer, remplacer ou suppléer des organes déficients. Afin de visualiser des structures dans des conditions proches de la réalité physiologique, et de manière non invasive, de nouvelles techniques d’imagerie ne cessent de se développer. En particulier, la microscopie associant une excitation multiphoton et la détection de signaux de fluorescence et de signaux de SHG (Second Harmonic Generation) permet l’observation en profondeur de composants de matrices extracellulaires sans marqueur fluorescent exogène. Ce travail basé sur ces techniques a permis dans un premier temps d’apprécier les probabilités d’absorption multiphoton en fonction de la modulation de l’excitation avec deux systèmes différents (Cavity Dumper et EOM). Une seconde partie de ce projet a été consacrée à la mise en place et l’optimisation de la détection de signaux SHG provenant du collagène dans les tissus biologiques. Nous avons utilisé ces méthodes d’imagerie pour mettre en évidence les modifications intervenant au niveau des réseaux de collagène de la MEC de cartilage suite à l’application d’une contrainte mécanique (compression) ou biochimique (enzymatique). Puis, nous nous sommes intéressés au domaine vasculaire, en montrant la possibilité d’imager sans marquage fluorescent les réseaux d’élastine de la média (en mettant à profit son autofluorescence) et le réseau de collagène de l’adventice (générant un fort signal SHG). Nous avons ainsi pu apprécier l’état des structures en fonction de différentes conditions de préservation (congélation, fixation) et le remodelage de substituts artériels implantés chez le lapin. Enfin, une dernière application biologique, basée sur l’étude de tumeurs, nous montre la complémentarité et l’intérêt d’une imagerie de type macroscopique avec les diverses modalités de détection en microscopie.
-Microscopie Multiphoton
To repair, supply or regenerate deficient organs, the bioengineering field consists of synthesising functionalised biomaterials. To visualise the synthesised structures in a non invasive way and in physiological conditions, new imaging techniques tend to be developed. Among them, microscopy associating multiphoton excitation with fluorescence detection or Second Harmonic Generation enables a visualisation in depth of extracellular matrix structures, without any exogenous dye. The first part of this work was to characterise multiphoton absorption probability in function of different excitation conditions, that means a modulation of the excitation beam through two different systems (Cavity Dumper and EOM). In a second part, we implemented and optimised the detection of the SHG signal coming from collagen in biological tissues. Through SHG measurements, we showed modifications occurring on the collagen network of the extracellular matrix of cartilage, when sample were submitted to mechanical (compression) or biochemical (enzymatic) constraint. We also were interested by the vascular research field and showed the ability of multiphoton microscopy to image without any fluorescent dye, the elastin network of the media and the collagen network of the adventice. We could appreciate qualitatively the effect of cryopreservation or fixation on the arterial wall, and the remodelling of a substitute implemented in a rabbit to supply its carotid. A last biological application concerned study of tumors, and showed us the complementarities between a macroscopic study with information obtained by microscopy.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10055/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 67
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

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UNIVERSITEHENRIPOINCARE–NANCYI
EcoleDoctoraleBiologie–Santé–Environnement


Thèse

Pourobtenirlegradede

DOCTEURdel’UNIVERSITEHENRIPOINCARE–NANCYI
Spécialité Ingénierie Cellulaire et Tissulaire


Présentée
elleParM ElisabethWERKMEISTER
Le9Octobre2008



ImagerieMultimodalepar
Cartographie3Denexcitationpulsée:
delacelluleautissu




Directeur de thèse : Pr. J.F. STOLTZ
Co-Directeur de thèse : Dr. D. DUMAS



JURY :

Rapporteurs :

Pr. R. SANTUS Laboratoire de Photobiologie PARIS
Dr. MC. SCHANNE-KLEIN LOB - Ecole Polytechnique PALAISEAU


Examinateurs :

Dr. M.L. VIRIOT ENSIC NANCY
Pr. J.F. STOLTZ Nancy-Université VANDOEUVRE-lès-NANCY
Dr. L. HELIOT IRI LILLE
Dr. D. DUMAS Nancy-Université VANDOEUVRE-lès-NANCY


Avant-propos et Remerciements

Ce travail a été mené au sein du Groupe de Mécanique et d’Ingénierie Cellulaire et
Tissulaire - LEMTA-UMR CNRS-UHP-INPL 7563, dans les locaux de la Faculté de
Médecine de Vandoeuvre-lès-Nancy.

Je tiens à remercier le Pr. Jean-François STOLTZ de m’avoir accueillie au sein de son
équipe durant ces trois années, de la confiance qu’il m’a accordée, et des possibilités qui
m’ont été données de participer à des Congrès très intéressants.

J’adresse ma profonde reconnaissance au Dr. Dominique DUMAS, qui a codirigé ce
travail, de m’avoir initiée à l’imagerie microscopique. J’ai été particulièrement sensible à ses
excellentes qualités d’encadrement, sa disponibilité et ses conseils réguliers et judicieux.

Je remercie vivement mes rapporteurs, le Pr. René SANTUS et le Dr Marie-Claire
SCHANNE-KLEIN ainsi que les membres de mon jury, le Dr. Marie-Laure VIRIOT, le Dr
Laurent HELIOT d’avoir accepté de juger mon travail.

Un grand merci également à M. Luc MARCHAL, pour son soutien, sa gentillesse, ses
explications et toutes les discussions que nous avons pu avoir.

Mes remerciements s’adressent également au Dr. Halima KERDJOUDJ, à M. Nicolas
BERTHELEMY ainsi qu’à toute l’équipe du Pr. Patrick MENU. J’ai beaucoup apprécié nos
échanges, et trouvé beaucoup d’intérêt à travailler sur les échantillons vasculaires.

Je remercie le Dr. Natalia de ISLA, pour sa persévérance et nos études menées en
commun sur le thème du cartilage.

Je tiens à remercier toute l’équipe du CAV, et en particulier, le Dr. Lina BOLOTINE,
elle
le Dr. Marie-Ange d’HALLEWIN et M Yan VIRY-BABEL, avec qui nous avons eu une
collaboration fructueuse.

2
J’adresse mes remerciements au Dr. Laurent HELIOT, au Dr. Corentin SPRIET, à M.
Dave TRINEL et à toute l’équipe de l’IRI de Lille pour leur collaboration concernant l’étude
du Cavity Dumper.

meJe présente ma gratitude à mes tuteurs de monitorat, M Isabelle HENROT et M.
Dominique COLLET, pour leur aide précieuse durant mes enseignements à l’EEIGM.

Et bien entendu, merci à tout le personnel du laboratoire, techniciens, étudiants,
doctorants, chercheurs, qui ont su rendre ces trois années passées au sein de l’équipe bien
agréables !

Enfin, je ne saurais oublier mes amis et ma famille pour leur soutien et leur présence
au quotidien.

Je n’aurais certainement pas pu réaliser ces travaux dans les délais impartis si je
n’avais pas bénéficié d’une allocation de recherche octroyée par le Ministère Français de
l’Enseignement Supérieur et de la Recherche.


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ImagerieMultimodalepar
Cartographie3Denexcitationpulsée:
Delacelluleautissu


L’un des enjeux de la bioingénierie consiste à synthétiser des biomatériaux visant à
régénérer, remplacer ou suppléer des organes déficients. Afin de visualiser des structures dans
des conditions proches de la réalité physiologique, et de manière non invasive, de nouvelles
techniques d’imagerie ne cessent de se développer.
En particulier, la microscopie associant une excitation multiphoton et la détection de
signaux de fluorescence et de signaux de SHG (Second Harmonic Generation) permet
l’observation en profondeur de composants de matrices extracellulaires sans marqueur
fluorescent exogène.
Ce travail basé sur ces techniques a permis dans un premier temps d’apprécier les
probabilités d’absorption multiphoton en fonction de la modulation de l’excitation avec deux
systèmes différents (Cavity Dumper et EOM). Une seconde partie de ce projet a été consacrée
à la mise en place et l’optimisation de la détection de signaux SHG provenant du collagène
dans les tissus biologiques.
Nous avons utilisé ces méthodes d’imagerie pour mettre en évidence les modifications
intervenant au niveau des réseaux de collagène de la MEC de cartilage suite à l’application
d’une contrainte mécanique (compression) ou biochimique (enzymatique).
Puis, nous nous sommes intéressés au domaine vasculaire, en montrant la possibilité
d’imager sans marquage fluorescent les réseaux d’élastine de la média (en mettant à profit son
autofluorescence) et le réseau de collagène de l’adventice (générant un fort signal SHG).
Nous avons ainsi pu apprécier l’état des structures en fonction de différentes conditions de
préservation (congélation, fixation) et le remodelage de substituts artériels implantés chez le
lapin.
Enfin, une dernière application biologique, basée sur l’étude de tumeurs, nous montre
la complémentarité et l’intérêt d’une imagerie de type macroscopique avec les diverses
modalités de détection en microscopie.


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excitation:
Fromcelltotissue



To repair, supply or regenerate deficient organs, the bioengineering field consists of
synthesising functionalised biomaterials. To visualise the synthesised structures in a non
invasive way and in physiological conditions, new imaging techniques tend to be developed.
Among them, microscopy associating multiphoton excitation with fluorescence
detection or Second Harmonic Generation enables a visualisation in depth of extracellular
matrix structures, without any exogenous dye.
The first part of this work was to characterise multiphoton absorption probability in
function of different excitation conditions, that means a modulation of the excitation beam
through two different systems (Cavity Dumper and EOM). In a second part, we implemented
and optimised the detection of the SHG signal coming from collagen in biological tissues.
Through SHG measurements, we showed modifications occurring on the collagen
network of the extracellular matrix of cartilage, when sample were submitted to mechanical
(compression) or biochemical (enzymatic) constraint.
We also were interested by the vascular research field and showed the ability of
multiphoton microscopy to image without any fluorescent dye, the elastin network of the
media and the collagen network of the adventice. We could appreciate qualitatively the effect
of cryopreservation or fixation on the arterial wall, and the remodelling of a substitute
implemented in a rabbit to supply its carotid.
A last biological application concerned study of tumors, and showed us the
complementarities between a macroscopic study with information obtained by microscopy.
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Sommaire

Avant-propos et Remerciements............................................................................................. 2
Sommaire .................................................................................................................................. 6
Liste des Abréviations...................................