Térahertz :Applications biologiques et médicales

Guilhem Gallot

Laboratoire d’Optique et Biosciences, École Polytechnique

CNRS UMR 7645, INSERM U696, FRANCE

Les Radiations Térahertz

106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020

103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12

10-5 10-4 10-3 10-1 1 101 102 103 104 105 106 107 108 109 101010-2Nbr d’onde (cm-1)

Longueur d’onde (m)

Ondes Radio

Micro-ondes

THz

Infrarouge

Visi

ble

Ultraviolet Rayons X durs

Rayon X mous Rayons

Radio Four

micro-ondes Radar Corps

humainAmpoule Synchrotron Radio X Éléments

radioactifs

Gamme

Frequency (Hz)

Source

1 THz = 300 µm = 33 cm-1 = 4 meV

Spectroscopie

Imagerie

Articles Térahertz et Biologie

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 20100

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

N

ombr

e d'

artic

les

Année

Terahertz Biologie+THz

0

2

4

6

8

10

12

Source

: Web of Scienceterahertz AND (biology OR biological OR medecin OR medical OR protein OR DNA)

Pourcentage

Première expérience d’imagerie THzHumidification d'une feuille

D. M. Mittleman, R. H. Jacobsen, and M. C. Nuss, IEEE J. Sel. Topics Quant. Elect. 2, 679 (1996)

Les Térahertz et la Biologie Bonnes et Mauvaises nouvelles

Sensibilité

aux mouvements vibrationnels de grande échelle

-

Protéines, ADNSensibilité

au réseau de liaisons hydrogène

- Eau-

Liquides physiologiques (ions, K+, Na+, ...)

Absorption de l’eau-

100µm d’eau => 50% de transmission

Échantillons minces, ou sonde en surfaceRésolution spatiale (imagerie)

-

Limite de diffraction (~)Imagerie en champ proche (<<)

Applications en biologie

Adapté

de : A. Orlando et al, J Infrared Milli Terahz Waves 30, 1308 (2009)

ADN et ARNCapteurs

Membranes et protéines

membranairesSignalisation, médicaments

Imagerie des cellules et des

tissusDynamique des

structures, échanges ioniques

Dynamique des protéinesStructure,

protéomique, médicaments

Enzymes et catalyse

Biocatalyse, photosynthèse

La bactériorhodopsine

• Composée de 7 hélices A->G traversant la membrane.

• La membrane cellulaire forme une barrière hermétique aux ions et autres particules.

• Au centre se trouve une molécule linéaire fixée sur l'hélice G:

le rétinal.[Nature 406, 569 (2000)]

Intérieur

Extérieur

H+

Spectre vibrationnel du rétinal

M. Walther, B. Fischer, M. Schall, H. Helm, P. Uhd Jepsen, Chem.

Phys. Lett. 332, 389 (2000)

298K10K

All trans 13-cis

Bactériorhodopsine

G. I. Groma, J. Hebling, I. Z. Kozma, G. Varo, J. Hauer, J. Kuhl et E. Riedle, PNAS 105, 6888 (2008)

Liaison Protéine-LigandLiaison triacétylglucosamine (3NAG) et Lysozyme de blanc d’œuf (HEWL)

Jing-Yin Chen, J. R. Knab, Shuji Ye, Yunfen He, and A. G. Markelz, Appl. Phys. Lett. 90, 243901 (2007)

Senseurs –

HybridationSite de liaison dans l’ADN

THz THz

M. Brucherseifer, M. Nagel, P. Haring Bolivar, H. Kurz, A. Bosserhoff and R. Büttner, Appl. Phys. Lett. 77, 4049 (2000)

Hybridé

: double brin d’ADNDénaturé

: simple brin d’ADN

Applications en médecine• Faible épaisseur de propagation

– Etude de la peau– Etude des dents– Nécessité d’endoscope térahertz

• Sensibilité au contenu en eau et en ions– Carcinome baso-cellulaire– Psoriasis– Différenciation des couches de la peau– Etude de la cicatrisation– Etude sur le neurone

• Nombreuses spectroscopies liées aux– Protéines– ADN

C. Baker et alAppl. Phys. Lett. 83, 4113 (2003)

Visible Terahertz à

1 THz

Images dans le visible etle térahertz de peau etde graisse

Carcinome : tissues sains et maladesR. M.Woodward, et al, J. Invest. Derm. 120, 72 (2003)

Imagerie de brulure sur peau de porc

Z. D. Taylor, R. S. Singh, M. O. Culjat, J. Y. Suen, W. S. Grundfest, H. Lee et E. R. Brown, Opt. Lett. 33, 1258 (2008)

Mesures en champ lointain et champ proche

Source de lumière Système Détecteur

Mesure optique

Mesures limitées parLa longueur d’onde

Système

Appareil de mesure

Mesure limité

parle dispositif

couplage

isolation

couplage

Interaction électromagnétique sous longueur d’onde

Appareil de mesure

Optique en champ proche

ikrek

0

3

0 p4

rE kr

1

Champ lointain

kr

i2

Champ intermédiaire

kr 3

1

Champ proche

Émission dipolaire

Mesures infra longueur d’ondeInteraction

champs Intermédiaire

et proche

Absorption de solutions ioniques biologiques

J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, PNAS 103, 4808 (2006)

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,40

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20M

olar

abs

orba

nce,

cm

-1M

-1

Fréquence, THz

K+

Na+

Ca2+

Axone

Corps neuronal

Noyau

Cône axonal Gaine de myéline

Cellules de Schwann

Noeuds de Ranvier

Branches terminalesdes axones

Dendrites

BV

TN

x 25

Le Tube Neuronal

(TN) et associé

aux Vaisseaux Sanguins

(VS)

Diamètre du tube neuronal

80-150 µm

Le Neurone

Neurone de ver de terre

Composition ionique d’un neurone de ver de terre

Concentration ionique[mmol/l] Extérieur Intérieur

du Neuron du Neuron

Na+ 100 <10

K+ 2.5 130

Ca+ 2 <10-5

total

60

220

Absorption à

1 THz[10-2

cm-1]

50 < 5

2204

4 < 10-4

Principe d’un microscope champ proche à

ouverture

•

Briser la limite de la diffraction–

Résolution <<

–

Mais perte de signal (

d3

)compromis

entre Résolution

et RSB

axone

Trou champ proche

Lentille téflon

Analyse quantitative et validité

-600 -400 -200 0 200 400 600 8000

5

10

15

20

25

30

35

(95)

(2.5)

(30)

(50)

(70)

5 10 15 20 25 30 35-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

(2.5)

(30)

(50)

(70)

Mem

bran

e po

tent

ial (

mV)

Thz Signal (a.u.)

Sign

al [a

.u.]

Position [µm ]

• Diaphragme d = 200 µm• Loi de Nernst

ion

extion ion

ionzFRTE ln

() Concentration en K+

J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, PNAS 103, 4808 (2006)

Comportement du neurone soumis à

un stress

• Thermique (-> refroidissement à 4°C)– Pompes ioniques ATP dépendantes– Diminution du rendement des pompes ioniques

• Toxine (vératridine)– Blocage des canaux sodique

Mouvements d’eau axonaux

-200 -100 0 100 2000

1

2

3

4

5

17°C4°C

Sign

al (a

.u.)

Position [µm]

5 10 15 2010

15

20

110

120

130

Na+

K+

Temperature (°C)

Ion

conc

entra

tion

[mM

]

153

154

155

156

157

158

Axon diameter [µm

]109

110

111

112

113

114

115

1000-100

0-150

400800

-100

-50

0

50

100

150

Posi

tion

[µm

]

Position [µm] Position [µm]

0

50

100

150

200 400 600 800 10000

Posi

tion

[µm

]

Position [µm]

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Signal [a.u.]D

iameter [µm

]

-200 -100 0 100 2000

1

2

3

4

5

17°C4°C

Sign

al (a

.u.)

Position [µm]

5 10 15 2010

15

20

110

120

130

Na+

K+

Temperature (°C)

Ion

conc

entra

tion

[mM

]

153

154

155

156

157

158

Axon diameter [µm

]

J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, PNAS 103, 4808 (2006)

Effet de la toxine

Après 2h dans 5µM de vératridineLa taille du neurone passe de 70 à

78 µm

Bilan• Les ions et l’eau sont visibles• Pas de gêne avec les tissus lipidiques et

musculaire environnants• Méthode de mesure sans contact, sans

colorants, et non invasif• Précision en concentration : 10 µmol• Précision en volume d’eau : 20 fl/µm

Flux dans le muscle auriculaire

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0,00000

0,00005

0,00010

0,00015

0,00020

0,00025

sign

al [a

.u.]

temps [s]

t1 t2 t3

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

sign

al [a

.u.]

temps [s]

10 min 25 min 40 min 50 min

• Flux auriculaire de grenouille• Mouvement auto déclanché• Périodicité environ 1.5 s

Conclusion• Fort sensibilité biologique du rayonnement térahertz

– Eau, ions physiologiques: Na+, K+, ...• L’eau liquide n’est pas incompatible avec les térahertz

– 100 µm d’épaisseur dans les expériences.• Démonstration de l’imagerie térahertz du neurone

– Sans marqueur ni colorant,– Bon rapport signal à bruit,

• Résolution temporelle– Muscle auriculaire de grenouille

• Efforts technologiques importants– Transporter facilement le térahertz dans les hôpitaux– Endoscope térahertz

Conclusion• Fort sensibilité ionique du rayonnement térahertz

– Ions physiologiques: Na+, K+, ...• L’eau liquide n’est pas incompatible avec les térahertz

– 100 µm d’épaisseur dans les expériences.• Démonstration de l’imagerie térahertz du neurone

– Sans marqueur ni colorant,– Bon rapport signal à bruit,– Déconvolution par simulations numériques– Mais le neurone n’est pas encore totalement résolu spatialement.– Forte augmentation du contraste grâce aux interactions en champ proche

RSB accru par un facteur 100.• Résolution temporelle

– Muscle auriculaire de grenouille

Déclanchement extérieur du signal nerveux (électrique, optique …)