Thèse ECL - Laboratoire Ampère

Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Interaction champ électromagnétique –
vivant :
modélisation du phénomène
d’électrorotation
Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal :
Domaine scientifique secondaire :
Thème et sous-thème prioritaire :
1. Mathématiques, STIC, Nanotechnologies
1.i Interface Mathématiques, STIC, nanotechnologies / Santé
Directeurs de thèse :
Laurent NICOLAS, [email protected]
François BURET, [email protected]
Ronan PERRUSSEL, [email protected]
Argumentaire scientifique présentant les enjeux de la thèse
Le laboratoire Ampère tend aujourd’hui à développer l'interface physique/biologie, en
particulier au travers d'une de ses priorités scientifiques qui concerne l'étude des
interactions entre les champs électromagnétiques et le vivant. Cette recherche, tant
fondamentale qu'applicative, a pour but de comprendre et de maîtriser les effets des
champs sur les systèmes biologiques, afin de répondre à des besoins précis, comme le
traitement des tumeurs par hyperthermie ou les effets induits des champs sur les systèmes
vivants. Elle vise également à faire évoluer les outils actuels de caractérisation et de
modélisation, afin de procurer aux chercheurs SDV des outils pour comprendre et exploiter
les phénomènes mis en jeu à différents niveaux de hiérarchisation (cellule, tissu, organe,
individu). D’une manière générale, il s’agit de progresser dans la connaissance et la maîtrise
des effets des champs électromagnétiques sur le vivant pour, suivant le contexte
d’application, améliorer leurs apports ou limiter leurs effets.
L’étude de l’interaction champ-cellule est au cœur de cette recherche. Un objectif est de
caractériser les paramètres électromagnétiques des cellules afin d’essayer d’établir des liens
entre les phénomènes à l’échelle cellulaire et à des niveaux de hiérarchisation supérieurs,
comme les tissus ou le corps humain. Un autre objectif est de comprendre et modéliser les
phénomènes électromagnétiques au niveau cellulaire et de fournir des éléments objectifs
pour définir les seuils à partir desquels des effets réversibles et irréversibles sont notés. Ces
recherches doivent s’appuyer sur :
• des outils et expérimentations permettant de caractériser la cellule biologique ou la
membrane d’un point de vue électromagnétique,
• des outils numériques sophistiqués pour modéliser membrane et cellule, en statique
et en dynamique.
En conclusion, l’enjeu principal de cette thèse concerne la maîtrise des phénomènes
électromagnétiques et de leur effet sur les cellules biologiques.
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1
Interaction champ électromagnétique –
vivant :
modélisation du phénomène
d’électrorotation
La modélisation des phénomènes d’interaction champ électromagnétique – matériau
biologique à l’échelle cellulaire passe par une bonne connaissance des caractéristiques
électromagnétiques de la cellule. Cette connaissance peut être acquise en s'appuyant sur
une méthode diélectrophorétique. Ce terme de diélectrophorèse est utilisé pour décrire le
déplacement de particules polarisables, telles que des cellules, induit par un champ
électrique non uniforme. On parle aussi d’électrorotation lorsque le champ appliqué est tel
que la cellule est mise en rotation. L’application du champ électrique ayant les bonnes
caractéristiques est réalisée par un microsystème. Il est donc possible de relier le spectre
d’électrorotation d’une cellule (schématiquement, il s’agit de la vitesse de rotation de la
cellule en fonction de la fréquence du champ électrique appliqué) aux valeurs des
caractéristiques électromagnétiques (permittivité et conductivité électrique) de sa membrane
et de son cytoplasme à travers le facteur de Clausius-Mossoti. Un banc expérimental vient
d’être installé au laboratoire Ampère, et les premiers spectres ont été obtenus. Cependant,
cette identification des caractéristiques électromagnétiques de la cellule repose sur un
modèle analytique de cellule sphérique avec membrane et cytoplasme homogène et à
comportement linéaire.
1,5
viable yeast cells 1,1mS/m
non-viable yeast cells 1,1mS/m
cell rotation rate (rad/s/V²)
1
0,5
0
1,00E+04
1,00E+05
1,00E+06
1,00E+07
1,00E+08
-0,5
-1
-1,5
frequency (Hz)
Cellules dans leur microsystème
R(ω) : vitesse de rotation
εm Im  K ( ω)  E 2
R ( ω) = −
2η
K(ω) : facteur de Clausius-Mossoti
ε p − εm
K ( ω) =
ε p + 2ε m
Spectres d’électrorotation pour 2 types de cellules
η : viscosité de la solution
E : module du champ électrique
ω : pulsation du champ électrique
εp : permittivité complexe de la cellule (modèle
sphérique à 2 couches)
εm : permittivité complexe de la solution
Lien entre vitesse de rotation de la cellule et facteur de Clausius-Mossoti (cas de la cellule sphérique).
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1
L’objectif de ce travail de thèse est de baser l’identification des caractéristiques
électromagnétiques de la cellule sur un modèle plus complexe de cellule, qui devra donc
être traité numériquement. Plusieurs étapes sont ainsi envisagées :
• Dans un premier temps, après une étude bibliographique, une analyse critique des
différents logiciels existants pour modéliser le phénomène d’électrorotation sera
menée. Cette analyse devra mener à la définition de la formulation et du modèle
numérique les mieux adaptés, couplant en particulier les équations de
l’électromagnétisme et de la mécanique des fluides.
• Il conviendra ensuite de développer le code numérique permettant de calculer le
spectre d’électrorotation d’une cellule de forme quelconque. Les résultats seront
validés par comparaison d’abord avec le modèle analytique de la cellule sphérique,
puis avec des résultats obtenus expérimentalement. Suivant le type de cellule, le
modèle numérique sera 2D ou 3D. La cellule sera considérée d’abord comme
uniquement constituée d’une membrane et d’un cytoplasme, mais la présence d’un
noyau et d’organites devra aussi être étudiée.
• On s’attachera ensuite à rendre la modélisation plus réaliste, l’objectif étant de
modéliser le microsystème complet : prise en compte d’électrodes de forme
quelconque, modélisation de plusieurs cellules dans la solution et de leur
interactions. Éventuellement, les phénomènes thermiques seront également pris en
compte. Chaque étape de développement logiciel fera l’objet d’une validation
expérimentale.
• Les modélisations numériques de cellule intégreront une approche stochastique
(éléments finis stochastiques par exemple), permettant de prendre en compte la
variabilité des paramètres géométriques et électromagnétiques inhérentes aux
cellules biologiques. Cette approche est nécessaire pour estimer la sensibilité du
spectre d’électrorotation à ces paramètres.
• Enfin, le problème inverse sera traité : à partir du spectre d’électrorotation mesuré et
d’une connaissance de la forme de la cellule, il faudra être capable de recaler les
résultats expérimentaux sur des résultats numériques afin de remonter aux valeurs
des caractéristiques électromagnétiques de la cellule.
Ce travail fait l’objet d’une collaboration entre les équipes « Modélisation » et
« Microsystèmes et microbiologie » du Laboratoire Ampère. Il s’inscrit dans le cadre du
développement de la plate-forme logiciel de modélisation de l’interaction champ-cellule, et
s’appuie sur la mini plateforme expérimentale de culture de cellules eucaryotes en cours de
développement.
Les compétences requises pour ce travail relèvent principalement de l’analyse numérique.
Des compétences supplémentaires en électromagnétisme seraient les bienvenues, mais
elles pourront être acquises lors de la thèse. Ce poste conviendra particulièrement à un
ingénieur généraliste titulaire d’un master recherche.
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Ecole Doctorale EEA de Lyon, ED 160
Laboratoire Ampère, UMR CNRS 5005
Ecole Centrale de Lyon
Directeurs de thèse : Laurent Nicolas, François Buret
Contact : [email protected]
Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon - Université Lyon 1