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Térahertz :
Applications biologiques et médicales
Guilhem Gallot
Laboratoire d’Optique et Biosciences,
École Polytechnique
CNRS UMR 7645, INSERM U696, FRANCE
Les Radiations Térahertz
Nbr d’onde (cm-1)
-5
10
3
Longueur d’onde (m) 10
-4
10
2
10
-3
10
-2
-1
10
10
1
10
1
10
-1
1
1
2
10
-2
10
-3
10
Imagerie
3
10
-4
10
4
10
-5
10
5
10
6
10
-6
10
-7
10
7
10
8
10
-8
10
-9
10
9
10
-10
10
10
10
10
-11
10
-12
10
THz
Gamme
Infrarouge
Visible
Ondes Radio
Micro-ondes
Spectroscopie
Ultraviolet
Rayons X durs
Rayon X mous
Rayons 
Source
Four
micro-ondes
Radio
Corps
Éléments
Ampoule Synchrotron Radio X
humain
radioactifs
Radar
Frequency (Hz)
6
10
7
10
8
10
9
10
10
10
11
10
12
10
13
10
14
10
15
10
16
10
1 THz = 300 µm = 33 cm-1 = 4 meV
17
10
18
10
19
10
20
10
Articles Térahertz et Biologie
12
1800
Terahertz
Biologie+THz
10
1400
8
1200
1000
6
800
4
600
400
Pourcentage
Nombre d'articles
1600
2
200
0
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Année
Source : Web of Science
terahertz AND (biology OR biological OR medecin OR medical OR protein OR DNA)
Première expérience d’imagerie THz
Humidification 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, ADN
Sensibilité 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 surface
Résolution spatiale (imagerie)
- Limite de diffraction (~)
Imagerie en champ proche (<<)
Applications en biologie
Dynamique des
protéines
Structure,
protéomique,
ADN et ARN
Capteurs
médicaments
Membranes et
protéines
membranaires
Signalisation,
médicaments
Enzymes et
catalyse
Biocatalyse,
photosynthèse
Adapté de : A. Orlando et al, J Infrared Milli Terahz Waves 30, 1308 (2009)
Imagerie des
cellules et des
tissus
Dynamique des
structures,
échanges ioniques
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
H+
Extérieur
Spectre vibrationnel du rétinal
All trans
298K
10K
M. Walther, B. Fischer, M. Schall, H. Helm, P. Uhd Jepsen, Chem. Phys. Lett. 332, 389 (2000)
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-Ligand
Liaison 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 – Hybridation
Site de liaison dans l’ADN
THz
THz
Hybridé : double brin d’ADN
Dénaturé : simple brin d’ADN
M. Brucherseifer, M. Nagel, P. Haring Bolivar, H. Kurz, A. Bosserhoff and R. Büttner, Appl. Phys. Lett. 77, 4049 (2000)
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
Images dans le visible et
le térahertz de peau et
de graisse
C. Baker et al
Appl. Phys. Lett. 83, 4113 (2003)
Visible
Carcinome : tissues sains et malades
R. M.Woodward, et al, J. Invest. Derm. 120, 72 (2003)
Terahertz à 1 THz
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
Mesure optique
Source de lumière
Détecteur
Système
Mesures limitées par
La longueur d’onde
Système
Appareil de mesure
isolation
couplage
couplage
Mesure limité par
le dispositif
Interaction électromagnétique sous longueur d’onde
Appareil de mesure
Optique en champ proche
Émission dipolaire
1  ikr
k3  1
i
p 
E0r 
e

2
3
4 0  kr kr kr  
Champ lointain
Champ intermédiaire
Champ proche
Mesures infra longueur d’onde
Interaction champs Intermédiaire et proche
-1
Molar absorbance, cm M
-1
Absorption de solutions ioniques biologiques
+
K
+
Na
2+
Ca
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
Fréquence, THz
J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, PNAS 103, 4808 (2006)
Le Neurone
Dendrites
Le Tube Neuronal (TN) et associé aux Vaisseaux Sanguins (VS)
Corps neuronal
Neurone de ver de terre
TN
BV
x 25
Axone
Branches terminales
des axones
Noyau
Cellules de Schwann
Cône axonal Gaine de myéline
Noeuds de Ranvier
Diamètre du tube neuronal  80-150 µm
Composition ionique d’un neurone
de ver de terre
Concentration ionique
[mmol/l]
Extérieur
Absorption à 1 THz
Intérieur
du Neuron du Neuron
[10-2 cm-1]
Na+
K+
Ca+
total
100
<10
50
<5
2.5
130
4
220
2
<10-5
4
< 10-4
 60
 220
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
Lentille téflon
Trou champ proche
Analyse quantitative et validité
35
Membrane potential (mV)
-30
(2.5)
30
Signal [a.u.]
25
(30)
(70)
-40
(50)
-50
(30)
-60
-70
(2.5)
-80
-90
5
10
20
15
20
25
Thz Signal (a.u.)
30
35
(50)
15
() Concentration en K+
(70)
10
5
(95)
0
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
P osition [µm ]
• Diaphragme d = 200 µm
• Loi de Nernst
Eion 
RT ion ext
ln
zF ion ion
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
1
1
150
100
0.6
0.4
50
Signal [a.u.]
Position [µm]
0.8
Signal (a.u.)
5
4
4°C
17°C
3
2
1
0
0.2
-200
0
200
400
600
800
-100
0
100
200
Position [µm]
0
0
1000
Position [µm]
158
115
50
113
0
112
-50
111
-100
110
-150
0
400
Positio 800
n [µm
]
-100
0
100
m]
Position [µ
109
Diameter [µm]
Position [µm]
114
+
K
120
157
110
156
20
155
15
154
+
Na
153
10
5
10
15
Temperature (°C)
J.-B. Masson, M.-P. Sauviat, J.-L. Martin et G. Gallot, PNAS 103, 4808 (2006)
20
Axon diameter [µm]
100
Ion concentration [mM]
130
150
Effet de la toxine
Après 2h dans 5µM de vératridine
La 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
10
25
40
50
0,0004
min
min
min
min
t1
t2
t3
0,00025
0,00020
0,00015
signal [a.u.]
signal [a.u.]
0,0003
0,0002
0,00010
0,0001
0,00005
0,0000
0,00000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
0,2
temps [s]
• Flux auriculaire de grenouille
• Mouvement auto déclanché
• Périodicité environ 1.5 s
0,4
temps [s]
0,6
0,8
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 …)