Soutenance mémoire
Cellule biologique et son modèle électrique
Propriété biologique de la cellule
La cellule est l’unité structurelle et fonctionnelle de base de tout être vivant. Les cellules sont de très petite taille et d’organisation très complexe. La connaissance de leur structure, de leur composition chimique et de leur fonctionnement (physiologie) très critique en biologie et science biomédicale [1]. Les études sur la fonctionnalité et le comportement cellulaire ont été largement appliqués dans de nombreuses applications cliniques et biomédicales, tels que le diagnostic de maladies et la connaissance sur leur degré d’évolution, le développement de médicament et la recherche sur le cancer [2].
Les biologistes distinguent deux types fondamentaux de cellules :
– les cellules procaryotes dépourvues de noyau (les bactéries, par exemple),
– les cellules eucaryotes, qui possèdent un noyau (végétal et animal, par exemple),
– et toutes les cellules se présentent sous la forme d’une membrane périphérique, la membrane plasmique, qui sépare les milieux intra cellulaire et environnant.
Les cellules eucaryotes ont une organisation complexe , d’une taille moyenne entre 10 à 30 µm pour la plupart. Le reste du contenu cellulaire, appelé cytoplasme, est une matrice riche en eau dans laquelle baigne tous les organites, permettant à la cellule d’assurer ses fonctions. L’un de ses organites, le noyau, se situe au cœur de la cellule et renferme le matériel génétique, dont l’ADN.
Nous pouvons également citer d’autres organites principaux dans le cytoplasme comme :
– les mitochondries, qui stockent et fournissent l’énergie indispensable à la cellule. Elles contiennent leur propre ADN,
– l’appareil de Golgi, qui concentre et excrète les protéines élaborées par le réticulum endoplasmique,
– et les lysosomes, qui sont de petites vésicules responsables de la digestion cellulaire.
Connaître les constituants des cellules et leurs fonctionnements est fondamental pour toutes les sciences biologiques. Savoir distinguer les similitudes et les différences entre les types de cellules est particulièrement important dans les domaines de la biologie cellulaire et moléculaire, et des domaines biomédicaux tels que les recherches en cancérologie. Les méthodes d’étude cellulaire conventionnelles sont généralement basées sur les techniques d’imagerie par fluorescence en biologie. Ces dernières consistent à observer la structure et la composition cellulaire, permettant ainsi de comprendre le fonctionnement des constituants de la cellule. Ces méthodes conventionnelles sont brièvement présentées dans la section II. Par ailleurs, la cellule biologique peut être caractérisée suivant différents paramètres : chimiques, mécaniques, électriques…. Nos travaux de recherche étant focalisés sur le développement de la spectroscopie diélectrique micro-onde à l’échelle de la cellule unique, nous rappelons ci-après quelques connaissances importantes vis à vis des propriétés diélectriques d’une cellule.
Propriété diélectrique de la cellule
Cas de la membrane plasmique comme diélectrique
Les cellules vivantes sont, comme nous l’avons présenté précédemment, cloisonnées par une membrane plasmique, qui joue un rôle important dans le cadre de notre étude. Selon le modèle de Singer et Nicholson [4], la membrane se compose de deux couches lipidiques (phospholipides) et intègre également des protéines. La bicouche lipidique fournit une structure fluide de la membrane et forme une barrière semi – imperméable à la plupart des molécules solubles dans l’eau. L’une des protéines présentes (les protéines transmembranaires) traverse la bicouche lipidique créant ainsi des canaux très étroits pour faire passer les substances à travers la membrane plasmique, tels que des ions ou de l’eau. Les ions sont des particules chargées électriquement qui existent en abondance dans les milieux extracellulaire et intracellulaire. D’un point de vue électrique, le déplacement des ions dans les canaux de protéines génère un courant, passant à travers la membrane isolante d’une manière passive. Ce fait relève que la membrane se comporte comme un diélectrique.
Dispersion diélectrique de cellules
La réponse d’une cellule en présence d’un champ électrique dépend de deux paramètres que sont la permittivité diélectrique relative (notée ?? ) qui reflète la capacité à polariser un matériau par accumulation de charges et la conductivité électrique (notée σ) qui reflète la capacité à laisser passer un courant électrique avec un minimum de pertes. Les concepts fondamentaux de phénomènes diélectriques dans les milieux biologiques et leur interprétation d’interactions au niveau cellulaire sont bien établis, en se basant sur les travaux du Pr. Schwan [6], [7] et Foster [8]. Les propriétés diélectriques des cellules dépendent de la fréquence et présentent des phénomènes de relaxation et de résonance , fonction de polarisations différentes. Les relaxations sont nommées α, β et γ et sont plus souvent désignées par le terme de dispersion car l’absorption diélectrique résultante est observable sur une large plage de fréquences [6]–[8]. Les principaux phénomènes de relaxations observés à partir d’un tissu biologique sont les suivants:
– la dispersion α: Elle intervient dans la gamme des basses fréquences jusqu’à quelques kilohertz. Sous l’effet d’un champ électrique, la dispersion est associée à des processus de diffusion ionique intervenant à la surface de la membrane cellulaire et entraînant l’apparition d’un dipôle à l’échelle de la cellule. Les membranes ont un comportement capacitif qui interdit le passage du courant dans le milieu intracellulaire.
– la dispersion β : Elle intervient dans la gamme des fréquences 500 KHz – 20 MHz. Cette dispersion est principalement due à la polarisation de la membrane plasmique. A ces fréquences, la membrane n’est plus isolante: elle autorise la circulation d’un courant dans le milieu intracellulaire. La conductivité électrique devient représentative de la conductivité d’intracellulaire global en plus du milieu extracellulaire. La relaxation dipolaire est bien modélisée par la théorie des mélanges de Maxwell-Wagner [9], [10].
– la dispersion γ : Elle intervient dans la gamme des fréquences micro-ondes. Cette dispersion est provoquée par la teneur élevée en eau dans les cellules. L’orientation dipolaire des molécules d’eau libre se relaxe à 20 GHz. A ces fréquences, la membrane plasmique est électriquement transparente et donne accès au milieu intracellulaire. Les protéines, acides aminés et autres constituants cellulaires affichent quant à eux un large spectre de dispersion à partir de quelques centaines de MHz à quelques GHz.
– Puis les deux zones supplémentaires à plus hautes fréquence sont dues à des phénomènes de résonance atomique et électronique.
Circuit électrique équivalent d’une cellule biologique
Différents modèles empiriques peuvent être utilisés pour approximer les variations fréquentielles des propriétés électriques des cellules. La modélisation électrique des cellules fut premièrement proposée par R. Höber dans les années 1910, qui a étudié l’évolution de la résistivité d’un échantillon de sang aux basses et hautes fréquences [12]. A la suite de ces premières observations, plusieurs modèles électriques de la cellule ont été construits dans le milieu du XXe siècle, tels que le modèle de Fricke [14], Debye [15], et Cole-Cole [16]. Ces modèles sont encore largement utilisés de nos jours dans les études du comportement électrique des milieux biologiques.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITREI : METHODE D’ETUDE EN BIOLOGIE CELLULAIRE
I CELLULE BIOLOGIQUE ET SON MODELE ELECTRIQUE
I.1 Propriété biologique de la cellule
I.2 Propriété diélectrique de la cellule
I.2.1 Cas de la membrane plasmique comme diélectrique
I.2.2 Dispersion diélectrique de cellules
I.2.3 Circuit électrique équivalent d’une cellule biologique
I.2.3.a Modèle de Fricke
I.2.3.b Modèle de Debye
II METHODE D’ETUDE CELLULAIRE CONVENTIONNELLE
II.1 Microscopie
II.1.1 Principe de la microscopie
II.1.2 Défies pour les techniques microscopiques
II.2 Cytométrie en flux
II.2.1 Principe de fonctionnement d’un cytomètre en flux
II.2.2 FACS – Le tri des cellules
II.2.3 Limites
II.3 Discussions
III METHODED’ETUDE CELLULAIRE MICROTECHNIQUE
III.1 Biocapteur : de nouveaux outils pour la biologie cellulaire
III.2 Généralité sur les biocapteurs
III.2.1 BioMEMS et Biocapteur
III.2.2 Définition et principe de fonctionnement du biocapteur
III.2.3 La classification des biocapteurs
III.3 Détection et caractérisation cellulaire
III.3.1 Méthode de détection mécanique
III.3.2 Méthode de détection optique
III.3.2.a Détection par fluorescence
III.3.2.b Détection par interaction avec les ondes optiques
III.3.2.c Méthode de détection électronique
III.4 Potentialités de la technique de détection de cellule dans la gamme des hyperfréquences
III.5 Techniques de manipulation cellulaire
III.5.1 Techniques actives
III.5.2 Hydrodynamiques
III.6 Discussion
IV OBJECTIF DE NOTRE TRAVAIL ET CONCLUSIONS
CHAPITRE II : OPTIMISATION DU BIOCAPTEUR DEDIE A L’ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE DIELECTRIQUE MICRO-ONDE DE CELLULE INDIVIDUELLE
I DESCRIPTION DU SYSTEME DE SPECTROSCOPIE DIELECTRIQUE
I.1 Concept du biocapteur micro-onde initial à cellule unique
I.2 Matériels et méthodes
I.2.1 Méthode de mesure
I.2.2 Banc de test
I.2.3 Extraction des paramètres diélectriques
II AUTOMATISATION DU BANC DE TEST
II.1 Interface Homme-Machine
II.2 Validation
III OPTIMISATION DE LA FABRICATION DES MICROCANAUX FLUIDIQUES
III.1 Canaux microfluidiques réalisés à partir du matériau PDMS
III.2 Canaux microfluidiques réalisés à partir de matériaux photosensibles
III.2.1 Le polymère SU–8
III.2.2 Film sec – Dry Film (DF)
IV OPTIMISATION DE L’EFFICACITE DE PIEGEAGE
IV.1 Description des trois configurations de pièges mécaniques
IV.2 Étude de l’efficacité de piégeage de particules et de cellules
V OPTIMISATIONS PARAMETRIQUES DU BIOCAPTEUR
V.1 Impact du diamètre de la particule
V.2 Impact de la permittivité relative de la particule
V.3 Impact de la largeur du gap capacitif
V.4 Impact de l’épaisseur de métallisation
VII CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
CHAPITRE III : EXPERIMENTATIONS STATIQUE ET DYNAMIQUE (EN TEMPS REEL) DE CELLULES UNIQUES
I EXPERIMENTATIONS STATIQUES
I.1 Étude de répétitivitéet répétabilité des mesures
I.1.1 Protocole de préparationdes solutions de particules/cellules
I.1.2 Répétitivité des mesures
I.1.2.a Mesures de billes de polystyrène dans le milieu RPMI
I.1.2.b Mesures de cellules dans le milieu RPMI
I.1.2.c Comparaison des mesures de cellules avec la technologie SU8 et Film Sec
I.1.3 Répétabilité des mesuresde cellules dans le milieu RPMI
I.2 Discrimination de cellules vivante, morte et traitée
I.2.1 Cellule morte par appauvrissement du milieu de culture à température ambiante
I.2.2 Cellule vivante soumise à un traitement thermique
I.2.3 Cellule vivante soumise à un traitement chimique
Conclusions et perspectives
II EXPERIMENTATIONS DYNAMIQUE EN TEMPS REEL
II.1 Interface Homme-Machine
II.1.1 Fonctions d’acquisition
II.1.2 Validation
II.1.2.a Mesures en temps réel de l’évaporation d’éthanol
II.1.2.b Étude de la répétitivité du suivi en temps réel
II.2 Suivi en temps réel de cellules THP1
II.2.1 Cellule vivante
II.2.2 Cellule vivante soumise à un stimuli chimique
II.2.2.a 1ère expérience – Suivi avec une résolution temporelle del’ordre de la minute
II.2.2.b 2ème expérience – Suivi avec une résolution temporelle de l’ordre de la seconde
III CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
CONCLUSION GENERALE
