Imagerie quantitative de biopolymères par génération de second harmonique résolue en polarisation.

Quantitative imaging of biopolymers by polarization resolved second harmonic generation.

• Auteur / Autrice : Claire Teulon
• Direction : Marie-Claire Schanne-Klein
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et Biosciences (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : François Legare
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Claire Schanne-Klein, Dominique Pagnoux, Gervaise Mosser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Lévêque-Fort, Agnès Maître

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie

Collagène

Biopolymères

Polarisation (lumière)

Génération de second harmonique

Mots clés libres

Génération de second harmonique

Polarisation

Biopolymères

Collagène

Second harmonic microscopy

Optical polarization

Biopolymers

Collagen

Résumé

Le collagène est un élément majeur de l'architecture des organes chez les mammifères. Cette protéine s'organise en structures tridimensionnelles (3D) spécifiques à chaque tissu et responsables de leurs propriétés biophysiques et biomécaniques. La microscopie multiphoton permet de visualiser le collagène fibrillaire dans les tissus biologiques, sans aucun marquage, grâce aux signaux de génération de second harmonique (SHG). Cette thèse présente des mesures SHG résolues en polarisation (P-SHG), dans le but de caractériser la structure 3D du collagène dans divers tissus, de l'échelle moléculaire à l'échelle macroscopique.Nous avons d'abord étudié la sensibilité et la fiabilité des mesures P-SHG, afin de valider cette technique comme un outil quantitatif d'observation de la structure 3D du collagène dans des tissus intacts.En collaboration avec le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris, cette technique a ensuite été appliquée à l'étude de systèmes modèles de collagène présentant une organisation de type cristal liquide, afin de caractériser les conditions physico-chimiques menant à des phases proches de celles observées à l’état stabilisé dans la cornée.Enfin, nous présentons une imagerie SHG en différence circulaire (CD-SHG), permettant de déterminer la polarité des fibrilles de collagène par rapport au plan de l'image. Ces mesures sont complémentaires de l'information obtenue en P-SHG. Une première mise en place expérimentale de cette technique est présentée dans des coupes histologiques de cornée humaine. Nous présentons de plus les résultats préliminaires d'une imagerie corrélative CD-SHG/I-SHG, en collaboration avec l'INRS, donnant une information complète sur la polarité des fibrilles de collagène.

Collagen is a key element of organs architecture in mammals. This protein is organized in tridimensional (3D) structures specific to each tissue and responsible for its biophysical and biomechanical properties. Multiphoton microscopy allows the visualization of unstained fibrillar collagens in biological tissues, by use of their endogenous second harmonic generation (SHG) signals. This work focuses on polarization-resolved SHG measurements (P-SHG), in order to characterize the collagen 3D structure in tissues, from the molecular scale to the macroscopic scale.We first studied the sensitivity and the reliability of those P-SHG measurements, and validated this technique as a quantitative tool to probe collagen structure in intact tissues.In collaboration with the Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris, this technique was then applied to the study of collagen model systems with a liquid crystal like organization, in order to find the physico-chemical conditions leading to organizations close to the one observed in cornea.Finally, we introduced SHG circular difference measurements (CD-SHG). This technique allowed us to probe the polarity of collagen fibrils with respect to the image plane. Those measurements complement P-SHG measurements. An experimental implementation of this technique is introduced, as well as preliminary measurements in cornea. We present also preliminary results from CD-SHG/I-SHG correlative imaging, in collaboration with INRS, giving full information about collagen polarity.