Contribution au développement et à la dosimétrie multi-échelles de dispositifs pour l’exposition de cellules biologiques à des impulsions électriques nanosecondes et subnanosecondes de haute intensité

Contribution to the development and multiscale dosimetry of systems for exposing biological cells to intense nanosecond and subnanosecond puised electric fields

• Auteur / Autrice : Sophie Kohler
• Direction : Philippe Lévêque, Liliana-Délia Arnaud-Cormos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroporation

Différences finies

Électrooptique

Dosimétrie

Haute tension

Biomagnétisme

Mots clés libres

Système d'exposition

Champs électriques pulsés nonosecondes (nsPEFs)

Résumé

Pour des intensités de champ électrique suffisantes, des études expérimentales réalisées in vitro ont montré que les effets biologiques des impulsions microsecondes sont localisés à la membrane externe, tandis que ceux des impulsions nanosecondes se manifestent à la fois à la membrane externe et aux membranes intracellulaires. Les mécanismes bio-physiques à l’origine des effets observés ne sont toutefois pas encore élucidés. Des études numériques ont par ailleurs suggéré qu’en diminuant la durée des impulsions au régime subnanoseconde, il deviendrait possible d’induire des effets biologiques à l’intérieur même des organelles intracellulaires. Dans cette thèse, nous proposons et étudions un système d’exposition ainsi que des techniques de dosimétrie expérimentale et numérique en vue d’explorer in vitro les effets biologiques d’intenses champs électriques pulsés nanosecondes et subnanosecondes. Nous montrons la capacité d’un générateur innovant, basé sur une structure coaxiale, à fournir les impulsions de tension requises. Nous proposons ensuite des cellules transverses électromagnétiques pour délivrer les impulsions à des cellules biologiques contenues dans une boîte en plastique. Pour la macrodosimétrie à l’intérieur des échantillons, un prototype de sonde électro-optique est caractérisé puis mis à profit. Nous montrons également que le système d’exposition étudié est adapté pour des mesures de température intracellulaire par microfluorimétrie. Enfin, nous proposons et démontrons un outil numérique pour des études dosimétriques à l’échelle atomique. La méthode développée combine des résultats de dynamique moléculaire à un code de modélisation électrostatique implémentant la méthode des différences finies en trois dimensions.

For sufficiently high intensities, in vitro experimental studies have shown that the biological effects of microsecond pulses are located at the plasma membrane, while those of nanosecond pulses may as well occur at intracellular membranes. The biophysical mecanisms underlying the observed biological effects are not yet clear. In addition, numerical studies have suggested that electric pulses with subnanosecond duration may be able to trigger biological effects directly inside the intracellular organelles. In this work, we propose and study an in vitro exposure system as well as experimental and numerical dosimetry techniques with the purpose of investigating the effects of intense nanosecond and subnanosecond pulsed electric fields. We show the ability of a novel generator based on a coaxial structure to produce the expected pulses. We then propose the use of transverse electromagnetic (TEM) cells to deliver the pulses to biological cells contained in a plastic dish. An electro-optic probe is characterized and validated for macrodosimetric measurements inside the cell culture medium. We also show that the TEM cell-based setup is adapted for intracellular measurements using microfluorimetry techniques. Lastly, we report a numerical tool for dosimetric studies at atomic scale. The method that has been developed combines results of molecular dynamics simulations to a quasi-electrostatic approach using a 3D finite-difference-method code.