Térahertz : Applications biologiques et médicales · • Démonstration de l’imagerie...
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Térahertz :Applications biologiques et médicales
Guilhem Gallot
Laboratoire d’Optique et Biosciences, École Polytechnique
CNRS UMR 7645, INSERM U696, FRANCE
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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
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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
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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)
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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 (<<)
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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
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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+
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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
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Bactériorhodopsine
G. I. Groma, J. Hebling, I. Z. Kozma, G. Varo, J. Hauer, J. Kuhl et E. Riedle, PNAS 105, 6888 (2008)
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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)
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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
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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+
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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
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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
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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
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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)
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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
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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)
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Effet de la toxine
Après 2h dans 5µM de vératridineLa taille du neurone passe de 70 à
78 µm
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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
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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
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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
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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 …)