Leçon d`adieu du Prof. Pierre Descouts
publicité
L’Année 2003 au GAP - Biomédical Pierre DESCOUTS 28 janvier 2004 • Introduction GAP - Biomédical 1986 - 2003 • 2003 à l'Ancienne Ecole de Médecine SURIASIS et Projet CTI , Dr B.-O. Aronsson Projet COST , Dr B.- O. Aronsson, Dr N. Nurdin, M. Moret Thèse Kerem Unal Structure de la Peau, Dr L. Norlén • 2003 à l'Hôpital Universitaire de Genève Implants cochléaires et implants rétiniens, Prof M. Pelizzone IRM, Prof F.Terrier, Prof J.-P. Vallée, Dr F. Lazeyras Thèse Ivan Zimine Thèse Marko Ivancevic Thèse Slava Zimine , 2004 • Avenir du GAP-Biomédical • Retraite • Remerciements GAP GAP -- Biomédical Biomédical 1986 1986 -- 2003 2003 1986 Professeur Adjoint, GAP-Biomédical Prof Martin Peter, Fritz Straumann STM’86, Santiago de Compostela E. Ruska, G. Binnig, H. Rohrer, Prix Nobel de Physique OBJECTIFS Etude des interactions Biomatériaux - Tissus biologiques au moyen des techniques de Microscopie à balayage à sonde locale: STM, AFM Collaboration avec les Hôpitaux Universitaires de Genève DIPLÔMES ET THÈSES 14 Diplômes de physiciens 11 Doctorats ès sciences, mention physique 9 Doctorats ès sciences, mention interdisciplinaire Microscopes Microscopes STM STM et et AFM AFM STM AFM STM GAP-Biomédical, R. Emch, P. Niedermann, R. Jobin Park Scientific Instruments Europe SA, R. Jobin, R. Emch, M. Jobin BIOMATERIAU Matériau non vivant, utilisé dans un dispositif médical en interaction directe avec un système biologique BIOCOMPATIBILITE Propriété d’un matériau de provoquer une réponse appropriée du tissu hôte dans une application spécifique Science, vol 295, février 2002 Interface Interface Implant Implant –– Tissu Tissu biologique biologique S T M A F M B. Kasemo, J. Lausmaa, P-I Brånemark 1986 Interactions Interactions Matériau Matériau –– Tissu Tissu biologique biologique B. Kasemo, J. Lausmaa, 1991 GAP GAP Biomédical Biomédical -- Organigramme Organigramme Modification de Surface Titane Analyse de Surface Applications Médicales Polymères Microscopie STM-AFM-SEM Spectroscopie AES-XPS-ATR/FTIR Dentaires Couches minces Orthopédiques Vasculaires Essais Biologiques Collaboration Collaboration avec avec les les HUG HUG 1986-2003 1986-2003 Dans le cadre des projets Biomatériaux • Département des maladies infectieuses: Prof D. Lew, Dr P. Vaudaux • Clinique d’orthopédie: Prof H. Vasey • Département de Génétique et Microbiologie: Prof J.-C. Pechère, Dr C. van Delden • Division des Maladies Osseuses: Prof R. Rizzoli, Dr P. Ammann • Ecole Dentaire: Prof J.-M. Meyer Dans le cadre d’autres projets • Clinque d’Ophtalmologie: Prof A. Roth, Dr M. Pelizzone • Clinique d’ORL: Prof P. Montandon, Dr M. Pelizzone • Clinique de Cardiologie: Prof W. Rutishauser, Dr P. Doriot • Département de Radiologie: Prof F. Terrier, Dr J.-.P. Vallée, Dr F. Lazeyras • Division de Médecine Nucléaire: Prof A Donath, Dr C. Morel • Clinique de Neurologie: Prof T. Landis, Dr C. Michel 2003 édecine 2003 à l'Ancienne Ecole Ecole de de M Médecine • SURIASIS et Projet CTI Dr. B.-O. Aronsson • Projet COST Dr. B.- O. Aronsson, Dr. N. Nurdin, M. Moret • Thèse K. Unal • Fonction de barrière et structure de la Peau Dr. L. Norlén Titanium Titanium -- Bone Bone Interface Interface I. SURFACE INACTIVE BIOMATERIAL - TITANIUM osseointegration slow healing process purely mechanical contact titanium bone oxide TiO2 II. SURFACE ACTIVE BIOMATERIAL HYDROXYAPATITE COATED TITANIUM enhanced healing process long-term instability at the HA-TiO2 interface titanium bone HA oxide TiO2 titanium bone Functional group oxide TiO2 III. SURFACE FUNCTIONALIZED TITANIUM enhanced healing process chemical bond long-term stability Suriasis Suriasis SA SA Société Anonyme fondée en Août 2002 Chemin des Aulx 18 1228 Plan-les-Ouates Spin-off de l’Université de Genève et de l’EPFL Capital 260’000.CEO Björn-Owe Aronsson Mission Recherche, développement, production, et commercialisation de solutions avancées de modification de surface pour implants et autres dispositifs médicaux ™ SurfLink SurfLink™ implant “colle” os 1nm Aujourd’hui Ostéointégration rapide Fixation 'parfaite' Stabilité à long-terme améliorée SurfLink™ Projet Projet CTI CTI • 'Controlling the endosseous implant interface' • Septembre 2002 - Août 2004 • Budget du projet: 1’350’000.- CHF • Partenaires: – GAP-Biomédical, Prof P. Descouts – EPFL, Prof M. Graetzel – Université de Berne, Dr H. Gunther – Hôpitaux Universitaires de Genève, Prof R. Rizzoli – Suriasis SA, Dr B.-O. Aronsson – Institut Straumann AG, Dr J. Simpson Ossification Ossification Ectopique Ectopique Implantation d'un cylindre de titane encapsulé avec de la poudre d'os déminéralisée dans un muscle du dos d'un rat Le titane traité a favorisé: • l’augmentation du volume d’os formé dans un muscle • le comblement de l’interstice entre l’implant et l’os Coupe histologique Implant H. Günther, UNI Berne Régénération Régénération de de l’os l’os Implant de Titane dans un tibia de rat HUG, R. Rizzoli, P. Ammann, M. Benbachir Projet Projet COST COST • 'Polymer surface treatments for improved haemocompatibility' • Septembre 2001 – Octobre 2003 • Budget du projet: 308’000.- CHF • Partenaires: – GAP-Biomédical, Prof P. Descouts – Hôpitaux Universitaires de Genève, Dr P. François – Sulzer Innotec AG, Dr J. Krumeich Plasma Plasma system system Capacitive vacuum gauge Monome r Copper external electrodes Sample holder Quartz reactor Heating system Active flow controller Argon flow Sample manipulator Load-lock chambe r Active pressure control unit Active matching unit (Vm 1000 Dressler ) Optical spectrometer Turbomolecular pump 260 l/s Rotary vane pump 10 m3/h 13.56 MHz RF power unit (RFPP 10S / PWT Advanced Energy) B.-O. Aronsson, N. Nurdin, M. Moret Plasma Plasma treatment treatment N. Nurdin, M. Moret Modified Modified polyurethane polyurethane Endothelial cell coating BLOOD Grafted GRGDS oligopeptides Dextran layer Amino-groups deposited by plasma polymerization of 1,2-DACH Polyurethane substrate N. Nurdin, F. Sidouni Platelet -cultured native Platelet adhesion adhesion on on cell cell-cultured native and -grafted PUR and GRGDS GRGDS-grafted PUR Native PUR GRGDS-grafted PUR GRGDS-grafted PUR Size 340 µm x 270 µm Size 340 µm x 270 µm Size 340 µm x 270 µm N. Nurdin, P. François Scanning Scanning Probe Probe Microscopy Microscopy Characterization Characterization of of Charge Charge Transfer Transfer on on Biomaterial Biomaterial Surfaces Surfaces K. Unal GAP - Biomédical University of Geneva Sept 29th 2003 Objectives Objectives Characterization of charge transfer on Biomaterial Surface Scanning Probe Microscopy Surface electronic properties at the nanometer scale Outline I. Nano-oxidation of Titanium induced by the tip of an Atomic Force Microscope II. Electrostatic Force Microscopy characterization of Charge Transfer on biomaterial Surfaces III. AFM studies of some biological systems AFM AFM tip tip induced induced oxidation oxidation Anodic oxidation  Commercial AFM working in controlled atmosphere  Boron doped Si cantilevers, tip radius ~ 10 nm  Relative Humidity: 35-45 ± 5% Advantage: direct characterization of oxide structures after fabrication with AFM Oxide dots Oxide lines VM Oxidation 2 [Hz] 10 [Hz] 100 [Hz] 1 [kHz] 10 [kHz] E lectrostatic F orces with Electrostatic Forces with AFM AFM  Commercial AFM working in ambient atmosphere  Pt coated Si cantilevers  Vdc = 1-5 V  Vac = 1-8 Vp-p F = F0 + F1 sin(ω e t) + F2 cos(2ω e t) Cantilever Vibrations : ƒ0 60-80 kHz Topography Non-contact AFM mode ƒe 5-20 kHz Surface Potential and Capacitance Gradient 2ƒe 10-40 kHz Capacitance Gradient (dC/dz) Electrostatic Electrostatic Force Force Microscopy Microscopy on on Carbon Carbon Films Films 1µm dC/dz Surf. Pot. x dC/dz Topography z ~ 80[nm] 1µm 1µm K. Unal, J. Krumeich AES • Rougher surface • Heterogeneous electronic Ti Ar O properties • TiC clustering 1 DLC 100 200 400 300 Kinetic Energy [eV] 500 600 AFM AFM Imaging Imaging of of Polygalacturonic Polygalacturonic Acid Acid (PGA) (PGA) in in intermittent intermittent contact contact mode mode PGA @ 1 [µg/ml] PGA @ 1 [µg/ml] PGA @ 0.5 [µg/ml] 50nm 400nm 400nm z scale : 1 [nm] z scale : 1 [nm] z scale : 1 [nm] Buffer Buffer + Mg2+ Buffer + Mg2+ K. Unal, M. Crèvecoeur Langmuir -Blodgett films Langmuir-Blodgett films Monolayer transferred on Mica of a mixture of : - palmitic acid (C16) - lignoceric acid (C24) AFM & Lateral Force Microscopy Topography LFM Topography C24 1 µm C16 1 µm 1 nm z scale : 3 nm K. Unal, L. Norlén Electrostatic Electrostatic Force Force Microscopy Microscopy Topography EFM C16 EFM in feedback mode of operation C24 For each surface point: Vdc = Vs 1 µm 1 µm z scale : 1.9 nm b / w scale : 70 mV CPD 0 meV - 39.8 meV - 76.2 meV Pt C16 C24 CPD = 36.4 meV C16 C24  CPD of 4.55 meV / C unit Conclusion Conclusion • Crucial role of Space charge in the oxidation of metals • EFM to characterize surface work function of Biomaterials  Correlation with blood compatibility • Surface charges in the adsorption of PGA molecules • Electronic properties of LB-films Fonction Fonction de de barrière barrière et et structure structure de de la la peau peau humaine humaine Dr. Lars Norlén GAP - Biomédical Université de Genève Images cryo-TEM de la formation de la barrière de la peau humaine à l’interface entre cellules vivantes et mortes Cryo-TEM d’une phase cubique lipides / eau 50 nm 50 nm L. Norlén, A. Al-Amoudi, J. Dubouchet Image cryo-TEM de la matrice lipidique multilamellaire entre les cellules mortes de la couche cornée, barrière de la peau 50 nm L. Norlén, A. Al-Amoudi, J. Dubouchet Films Films LB LB de de lipides lipides de de la la barrière barrière de de la la peau peau humaine humaine AFM mode contact Scan size 50 micron Z scale 2 nm Scan size 5 micron Z scale 2 nm Scan size 2 micron Z scale 2 nm Mélange de céramides, cholestérol, acides gras, déposés sur substrat de mica L. Norlén Matrice Matrice des des filaments filaments de de kératine kératine des des cellules cellules de de la la couche couche cornée cornée 10 nm 20 nm 50 nm L. Norlén, A. Al-Amoudi, J. Dubouchet Modèle de moulage membranaire cubique centré des filaments de kératine dans la couche cornée de la peau humaine Moule membranaire Moule et kératine Filaments de kératine L. Norlén, 2003 2003 ôpital Universitaire ève 2003 àà l'H l'Hôpital Universitaire de de Gen Genève Département des Neurosciences Cliniques et Dermatologie • Implants cochléaires et implants rétiniens Prof M. Pelizzone Département de Radiologie • Thèse Ivan Zimine • Thèse Marko Ivancevic • Thèse Slava Zimine, 2004 Prof F.Terrier, Prof J.-P. Vallée, Dr F. Lazeyras TM Implant Cochléaire Ineraid Implant Cochléaire IneraidTM Prise percutanée Prise percutanée Nerf Auditif Cochlée Microphone Processeur Conduit auditif Electrodes intracochléaires TM Implant multicanal Ineraid Implant multicanal IneraidTM 1ère génération 2ème génération 80 Telephone possible 60 40 20 M oy en ne 0 I0 4 I0 3 I2 9 I1 0 I3 3 I0 9 I0 5 I1 7 I1 1 I3 0 I1 6 I2 3 I3 1 I0 8 I1 8 % Réponses Correctes 100 Sound localization performance Bilateral Cochlear Implants (n=2) Cummulative percentage of correct identifications [%] 100 80 60 40 20 Mean bilateral CI (n=2) Mean unilateral CI (n=7) 0 0.0 22.5 45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 Within error angle [deg] IRMf IRMf de de la la stimulation stimulation électrique électrique directe directe de de la la cochlée cochlée Implant cochléaire oreille droite 4 électrodes actives Projet Projet implant implant rétinien rétinien àà Genève Genève Projet implant rétinien Psychophysique HUG HUG FPSE FPSE Physiologie & Biocompatibilité CMU CMU Paris Paris Technique Chirurgie EPFL EPFL EIG EIG HUG HUG Paris Paris Ce projet pluridisciplinaire est supporté par la Fondation Pro Visu, l’Etat de Genève et le FNRS (31-61956-00 & 31-63915.01) Principe Principe d’un d’un implant implant rétinien rétinien E. Zrenner (Science, vol 295, février 2002) Asservissement Asservissement àà la la position position du du regard regard A. Perez Fornos, J. Sommerhalder Coordonnée verticale Lecture Lecture pleine pleine page page d’un d’un texte texte 0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Coordonnée horizontale Histogramme de la coordonnée verticale A. Perez Fornos, J. Sommerhalder Evaluation -motrice Evaluation de de la la coordination coordination visuo visuo-motrice A. Perez Fornos, J. Sommerhalder Epileptic Epileptic Focus Focus Localization Localization using using EEG -triggered functional EEG-triggered functional MRI MRI Ivan Zimine GAP Biomédical , UNIGE Radiology, HUG June 18th 2003 Functional Functional neuroimaging neuroimaging EEG Electro-magnetic techniques: EEG, MEG (msec, cm) direct measurement of neuronal activity fMRI Hemodynamic techniques: PET, SPECT, fMRI (sec, mm) indirect measurement (O2 , glucose consumption) MRI MRI :: Resonance Resonance phenomenon phenomenon and and longitudinal longitudinal relaxation relaxation TT11 M0 B0 Longitudinal Relaxation ω0 = γB0 M0 63% y0 x0 M0 0 z B1 x 90o time T1 z y x z y x B0 = 1.5 Tesla ω0 = 63.86 MHz, proton resonance y x y MRI MRI :: Transverse Transverse relaxation relaxation TT22 90o T2* 1 1 1 = + T2* T2 T2' Time FID z x y Detection coil Intrinsic tissue contrast: proton density, T1, T2 MRI MRI :: Imaging Imaging principle principle ω (r) = ω0 + γ G•r Frequency encoding using linear field gradient Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003, Paul C. Lauterbur, Sir Peter Mansfield Nobel Prize in Chemistry 1991, Richard R. Ernst BOLD BOLD fMRI fMRI rest activation Hemodynamic response function Magnetic properties of blood: [Hb] (χ < 0), [deHb] (χ > 0) [Hb] ↑ Î T*2act > T*2rest Î MR signal ↑ BOLD: Blood Oxygenation Level Dependent (1-5% at 1.5T) S. Ogawa et al., Proc Natl Acad Sci USA, 87, 9868, 1990 fMRI fMRI in in epilepsy epilepsy Epileptic focus localization Language task EEG -fMRI combined EEG-fMRI combined with with 3D 3D source source localization localization High-resolution EEG 3D current density estimation 0 L 100 200 300 400 500 ms R M. Seeck et al. Clin. Neurophysiol (1998) 11H-MRS EEG fMRI combined with EEG-fMRI combined with H-MRS Zimine, Lazeyras et al. ISMRM (2003) Conclusion Conclusion • Simultaneous acquisition of EEG-fMRI is possible • Epileptic focus localization by EEG-fMRI is concordant with other techniques: 3D-EEG, 1H-MRS, intra-cranial EEG • Combination with 3D-EEG & 1H-MRS allows precise focus localization and characterization • Development and validation of Triggered ER-fMRI MRI MRI Tissue Tissue Perfusion Perfusion:: Sequence Sequence optimization optimization & & Inflow Inflow effect effect correction correction Marko K. Ivancevic Radiology Dept, Geneva University Hospital Biomedical Physics Group (GAP), University of Geneva December 16th 2003 Tissue Tissue Perfusion Perfusion Quantification Quantification by by Dynamic -DTPA injection Dynamic MRI MRI and and Gd Gd-DTPA injection Transit time curve analysis time K2 K1 myocardium blood Myocardium Calibration Cart Cmyo Dynamic MR Imaging during injection of contrast medium Cart (t) Cmyo(t) 1 compartment model Tissue perfusion quantification Tissue Tissue Perfusion Perfusion Quantification Quantification by by Dynamic -DTPA injection Dynamic MRI MRI and and Gd Gd-DTPA injection •Dynamic image acquistion during CM injection •Short axis heart view: Normal patient Patient with known infarct Transit -time curve Transit-time curve measurement measurement Inflow Inflow Effect Effect Inflow effect ⇒ decreased 'apparent T1' ⇒ signal enhancement Wehrli et al. Biomedical MR imaging: Principles, Methodology and Applications. VCH Publishers, NY, 1988, p.488-494. In -vitro flow In-vitro flow effect effect FLOW SPEED FLOW-INDUCED SIGNAL ENHANCEMENT NO FLOW In -vitro flow In-vitro flow effect effect:: optimized optimized sequence sequence ⇒ Flow-adapted signal calibration REDUCED, BUT PERSISTENT FLOW EFFECT Conclusion Conclusion • MRI as perfusion measurement tool: non-invasiveness & high image quality • Improvements: – Sequence parameters optimization for contrast dynamics – Inflow effect estimation & correction – precise and robust Arterial Input Function determination – Absolute renal blood flow measurement – experimental validation – New acquisition protocol for extended cardiac spatial coverage Utilisation Utilisation de de techniques techniques IRM IRM pour pour étudier étudier le le développement développement cérébral cérébral chez chez l'homme l'homme Slava Zimine GAP - Biomédical, UNIGE HUG Objectifs Objectifs • Etudier le développement cérébral structurel chez les nouveaux-nés prématurés par l’imagerie IRM • Comparer et différencier les bébés prématurés normaux des bébés prématurés présentant un retard de croissance Méthodes Méthodes • Acquisition d'images IRM pour des mesures de volumétrie utilisant la segmentation, et pour faire l'analyse du tenseur de diffusion Segmentation Segmentation IRM IRM en en 3D 3D analyse analyse quantitative quantitative d’images d’images Utilisation du software développé à SPL, BWH, Boston gradient echo (T1) IRM T2 IRM segmentation PS Huppi et al, Ann Neurol 1998; 43: 224-235 SK Warfield et al, Medical Image Analysis 2000; 4: 43-55 Segmentation: Segmentation: Résultats Résultats 28 wks •Croissance du cerveau entre 30 et 40 semaines 40 wks •Déficit relatif de la matière grise chez les bébés prématurés à retard de croissance 300 Cerebral cortical gray matter volume (cc) Volume Cerveau (cc) 500 400 300 200 100 0 28 30 32 34 36 38 40 Age gestationnel (semaines) 42 200 4 100 Early MR 0 Term MR IUGR Infants Control Infants P. Hüppi, S. Zimine Quantitive MR demonstration of altered Brain Development in Newborns, proc. ISMRM 2001 C. Borradori S. Zimine Early alteration of structural and functional brain development in premature infants born with intrauterine growth restriction, subm. to Pediatric Research 2003 Tenseur Tenseur de de diffusion diffusion • Acquisition de 6 images qui mesurent la diffusion d’eau dans 6 directions non colinéaires • La diffusion moyenne d’eau dans des tissus cervicaux (milieu inhomogène) est différente selon la direction, Elle peut révéler des structures internes dans le cerveau Sk = S0 exp(- Σi3Σj3 bij Dij) le signal IRM Le tenseur D est résolu par un système de 6 équations linéaires dans chaque pixel et diagonalisé. Il donne 6 composants du coefficient de diffusion apparent (ADC) Diffusion: Diffusion: Résultats Résultats L’indice d’anisotropie et les directions de vecteurs propres permettent la visualisation de développement de fibres et de la connectivité de zones dans le cerveau Les mesures d’ADC et d’anisotropie au 1er et 2ème examen IRM sur les images normalisées montrent les régions où ces paramètres évoluent Vecteurs propres montrant la direction des fibres Régions avec changements significatifs dans les images d’ADC normalisées entre exam 1 et exam 2 S. Zimine, et al. Diffusion Tensor Imaging of Human Newborns, Proc. ISMRM Workshop St. Malo 2002 S. Zimine, P. Hüppi Voxel based analysis of Diffusion Tensor Imaging ,Submitted to ISMRM 2004 Conclusion Conclusion • Les techniques d’imagerie par IRM permettent d’étudier le développement normal d’un cerveau humain et le développement altéré d’une manière non-invasive • La technique de segmentation permet de quantifier l'information contenue dans les images IRM • Le tenseur de diffusion peut révéler des subtils changements microstructurels dans le cerveau chez les nouveau-nés. Il permet aussi d’étudier l’organisation de structures internes en fonction de temps Avenir -Biomédical Avenir du du GAP GAP-Biomédical Remerciements Remerciements Ammann Patrick Aronsson Björn-Owe Benbachir Malika Burgisser Charly Crèvecoeur Michèle Dubochet Jacques François Patrice Günther Harald Hüppi Petra Susan Ivancevic Marko Lazeyras François Michel Christophe Moret Michel Norlén Lars Nurdin Nathalie Péchy Peter Pelizzone Marco Pérez Fornos Angelica Rizzoli René Seeck Margitta Sidouni Fatima Sommerhalder Jörg Terrier François Unal Kerem Vallée Jean-Paul Vaudaux Pierre Zimine Ivan Zimine Slava
