Caractérisation et régulation des régimes de cavitation ultrasonore pour la sonoporation cellulaire

Characterization and control of the regimes of ultrasonic cavitation for cells sonoporation

• Auteur / Autrice : Corentin Cornu
• Direction : Jean-Christophe Béra, Claude Inserra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 03/07/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des applications Thérapeutiques des Ultrasons
• Jury : Président / Présidente : Philippe Marmottant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Béra, Claude Inserra, Christelle Der Loughian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sharon Lori Bridal, Serge Dos Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sonoporation

Cavitation

Imagerie ultrasonore

Mots clés libres

Cavitation ultrasonore

Cavitation stable

Emission sous-harmonique

Cavitation inertielle

Boucle d'asservissement

Sonoporation cellulaire

In-vitro

Acoustic cavitation

Stable cavitation

Subharmonic emissions

Inertial cavitation

Feedback loop

Cell sonoporation

In-vitro

Résumé

Dans l’objectif de limiter les effets destructeurs de l’implosion de bulles de cavitation ultrasonore, un régime d’oscillations stables de bulles doit potentiellement être visé pour des applications thérapeutiques sensibles comme l’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Cependant, garantir une activité d’oscillations stables est difficile de par le caractère stochastique de la cavitation ultrasonore, et de la coexistence de bulles oscillantes (cavitation stable) et implosantes (cavitation inertielle) au sein d’un nuage de bulles. Il est donc nécessaire de contrôler spatialement et temporellement le phénomène de cavitation en discriminant les régimes de cavitation stable ou inertielle, au cours de la durée d’un tir ultrasonore, et ce en régime pulsé. Dans une première étude, la dynamique d’un nuage de bulles monodisperses et uniformément réparties dans l’espace met en évidence l’effet de l’interaction entre bulles sur le seuil de cavitation stable : il s’abaisse en pression et la fréquence de résonance des bulles se décale en fonction de la densité de bulle. Il est ainsi montré qu’il existe une densité de bulle optimale pour l’émission de la composante sous-harmonique. Ensuite, une stratégie de contrôle est développée, basée sur une boucle de rétroaction régulant la signature acoustique d’un régime donné de cavitation. L’utilisation de la stratégie d’asservissement permet de discriminer les régimes de cavitation stable et inertielle au cours du temps, mais aussi de garantir une activité de cavitation plus stable temporellement, plus reproductible, et ce pour des énergies acoustiques moyennes délivrées inférieures. Enfin, le processus de contrôle est utilisé expérimentalement pour des applications in-vitro de sonoporation cellulaire. Tout d’abord, une étude de sonoporation en cavitation inertielle régulée met en évidence l’amélioration de la reproductibilité des taux de sonoporation obtenus, et la possibilité de s’affranchir de l’utilisation d’agents de contraste comme agents de nucléation. Ensuite, une étude en cavitation stable régulée met en évidence la possibilité de sonoporer des cellules en limitant les activités de cavitation inertielle, et donc potentiellement en limitant la lyse cellulaire

In the aim of limiting the destructive behavior of collapsing cavitation bubbles, an exclusively stable cavitation state is targeted for sensitive therapeutics applications like blood-brain barrier opening. Ensuring a stable cavitation regime is complex because of (i) the coexistence of stably oscillating bubbles and collapsing bubbles in the same bubble cloud, and (ii) the stochastic behavior of the phenomenon during time. Therefore, it is necessary to control spatially and temporally the cavitation activity, by discriminating the stable from the inertial regime. Firstly, the theoretical study of the dynamics of a monodisperse and homogeneous cloud shows a modification of the stable cavitation threshold as a function of the bubble density: the subharmonics emission threshold is lowered and the resonance frequency is shifted. The study leads also to the expression of a particular microbubbles density leading to optimized subharmonics emission. Secondly, a real-time control strategy based on a feedback loop process on subharmonics emission is designed. The use of this strategy allows discriminating the two cavitation states during time, and ensures a better reproducibility, time-stability and an acoustic energy gain. The control device is used for cells sonoporation in-vitro. In a first study, the sonoporation by inertial cavitation control is performed in a stationary ultrasonic field configuration. This leads to high sonoporation efficiency coupled to the possibility of counterbalancing the use of supplementary nuclei (encapsulated microbubbles). In a second one, the stable cavitation control applied in a focused ultrasound configuration field pinpoints the possibility of sonoporating cells without inertial cavitation, and then to limit cell lysis