Electro-optical pump-probe system suitable for the investigation of electroporated biological cells

par Annalisa De Angelis

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Vincent Couderc et de Philippe Lévêque.

Soutenue en 2012

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Un champ électrique suffisamment intense induit des effets sur la membrane cellulaire, notamment la formation des pores qui permettent le passage , autrement interdit, de ions et molécules, d’où le nom électroporation. Grâce à son application à la biotechnologie et à la médecine (électrochimiothérapie), l’électroporation représente un phénomène de grand intérêt. Récemment, des impulsions de l’ordre de la nanoseconde ont étés appliquées, montrant des effets sur les membranes intracellulaires. Les mécanismes qui sont à la base de l’électroporation ne sont pas encore complètement compris. D’une part, il n’y a pas en commerce de générateurs ultra-rapides et flexibles pour une stimulation électrique adaptée. D’autre part, la détection de phénomènes à l’échelle subcellulaire et de dynamiques temporelles rapides résulte très difficile. En ce contexte, nous avons conçu et réalisé un système électro-optique pompe-sonde. Il se compose d’un système optoélectronique dédié à la génération d’impulsions ultracourtes et de forte intensité, et d’une source pour l’imagerie optique non linéaire basée sur la microspectroscopie multiplex-CARS. Les deux sources sont déclenchées par le même laser fonctionnant en régime sub-nanoseconde. Ce régime temporel permet une synchronisation efficace des deux systèmes, mais il nécessite d’une étude approfondie des effets optiques non linéaires qui induisent l’élargissement spectral du faisceau, indispensable pour l’imagerie multiplex-CARS. Une caractérisation dans le temps et en fréquence a été menée afin de vérifier les performances du system entier et son emploi aux études de nano-électroporation.

  • Titre traduit

    Système électro-optique pompe-sonde pour l’étude de cellules biologiques électroporées


  • Résumé

    A sufficiently strong electric field is able to change the cell membrane permeability, forming aqueous pores across it, hence the name electroporation, permitting the passage, otherwise forbidden, of ions and molecules. Since its efficient application in biotechnology and medicine (e. G. Electrochemotherapy), ms/μs-pulse-induced electroporation draws growing interest. Recently, the application of nanosecond pulses has showed electroperturbation on intracellular membranes, opening the way to subcellular manipulations. To date, the mechanisms beyond the electroporation are not still well known. The lack of ultra-rapid and flexible pulsers for cell stimulation on the one hand, and the rapid and subcellular-scale involved dynamics on the other hand, make the investigations complex. In this context, we have designed and realized a compact system providing both the electric pump and the optical probe for electroporation studies. The electric pump consists of a photocommutation-based pulse generator triggered by a sub-nanosecond microchip laser that also provides the optical excitation of the multiplex-CARS microscope used for cell imaging. The main innovation of this system is represented by the sub-nanosecond regime of the common laser source. This choice is justified by the need for synchronizing the nanosecond electrical stimulation with the optical detection. A detailed analysis in the time and frequency domains has been performed in order to verify the whole system efficiency and applicability to nano-electroporation investigations.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 125-134

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