Millimeter waves for biomedical electromagnetics : study of changes induced at the cellular level by pulsed electromagnetically-induced heating

par Rosa Orlacchio

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Ronan Sauleau.

Soutenue le 04-07-2019

à Rennes 1 , dans le cadre de MATHSTIC , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de IETR (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Électromagnétisme pour le biomédical : étude des changements induits au niveau cellulaire par des impulsions thermiques générées par les ondes millimétriques


  • Résumé

    La partie inférieure de la bande de les ondes millimétriques (OMM, c'est-à-dire 20–100 GHz) constitue une alternative attrayante pour le traitement thermique non invasif du mélanome. Le chauffage pulsé induit électromagnétiquement peut entraîner des dommages plus importants dans les cellules par rapport au chauffage continu traditionnel. Dans ce travail, nous étudions les modifications induites au niveau cellulaire dans les cellules de mélanome à la suite d'une exposition au chauffage induit par en onde continue (CW) et ou en régime modulé (PWM) avec avec la même élévation de température moyenne, à 58.4 GHz. Premièrement, l’impact de la convection thermique sur la dynamique de la température dans des modèles représentant des conditions d’exposition in vitro typiques lors du chauffage par CW et PWM est étudié expérimentalement. Deuxièmement, la réponse au choc thermique, médiée par la phosphorylation d'une protéine de choc thermique (HSP27) et l'activation de Caspase-3, indicateur de l'apoptose cellulaire, est quantifiée pour surveiller la réponse biologique en utilisant une approche expérimentale basée sur la microscopie à fluorescence. Deux durées d'impulsion (1.5 s et 6 s) sont considérées. Nos résultats démontrent que les impulsions thermiques sont capables d'induire une réponse cellulaire plus forte dans les cellules de mélanome à la fois en termes de choc thermique et de mortalité cellulaire par rapport à celle induite en CW. Plus la durée de l'impulsion est courte, plus la réponse cellulaire est grande.


  • Résumé

    The lower part of the millimeter wave (MMW) band (i.e., 20–100 GHz) is an attractive alternative for non-invasive thermal treatment of melanoma. Besides, pulsed electromagneticallyinduced heating can lead to stronger damage in cells compared to traditional continuous heating. In in-vitro experiments, continuous-wave (CW) or pulsed-wave (PW) amplitude-modulated MMW can be efficiently used to locally heat cell monolayers with a typical thickness ranging between 3 μm and 10 μm. In this work we investigate the modifications induced at the cellular level in melanoma cells following exposure to CW and PW MMW-induced heating with the same average temperature rise, at 58.4 GHz. First, the impact of thermal convection on temperature dynamics in models representing typical in vitro exposure conditions during CW and PW-induced heating is experimentally investigated. Second, the heat shock response, mediated by phosphorylation of a small heat shock protein (HSP27) and activation of Caspase-3, indicator of cellular apoptosis, are quantified to monitor the biological response using an experimental approach based on fluorescence microscopy. Two pulse durations (1.5 s and 6 s) are considered. Our results demonstrate that thermal pulses are able to induce a stronger cellular response in melanoma cells both in terms of heat shock and cellular mortality compared to the one induced by CW. The shorter the pulse duration, the greater the cellular response.


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