Analyse multimodale et multi-échelle de biomatériaux complexes : optimisation et contraintes des mesures par nanospectroscopie infrarouge

Multimodal and multiscale analysis of complex biomaterials : optimization and constraints of infrared nanospectroscopy measurements

• Auteur / Autrice : Margaux Petay
• Direction : Dominique Bazin, Ariane Deniset-Besseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie physique (Orsay, Essonne ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Ali Tfayli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Lecomte, Ludovic Duponchel, Hester Colboc, Georg Ramer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Lecomte, Ludovic Duponchel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie multimodale

Échantillons biologiques

Analyse multiéchelle

Microscopie à force atomique

Microscopie chimique

Spectroscopie infrarouge

Mots clés libres

Nanospectroscopie

Microscopie Infrarouge

Afm-Ir

Analyse multi-Échelle

Analyse multimodale

Biomatériaux complexes

Nanospectroscopy

Infrared microscopy

Afm-Ir

Multiscale analysis

Multimodal analysis

Complex biomaterials

Résumé

Dans le domaine du biomédical, l'étude des changements physico-chimiques induits par une pathologie au sein des tissus, à l'échelle cellulaire, peut être cruciale pour élucider les mécanismes à l'origine de ce phénomène. Toutefois, seules quelques techniques d'analyse permettent une description chimique à cette échelle. La nanospectroscopie infrarouge, en particulier l'AFM-IR (Microscopie à Force Atomique-Infrarouge) est prometteuse en permettant une description chimique des matériaux à l'échelle nanométrique. Actuellement, l'AFM-IR est souvent utilisée pour l'étude des cellules et micro-organismes, mais très peu pour l'étude des tissus biologiques en raison de la complexité de ces derniers. Pourtant, de nombreuses applications pourraient bénéficier d'une telle description, comme l'étude des phénomènes de minéralisation dans les tissus mammaires. Les microcalcifications mammaires (MCMs) sont des dépôts calciques anormaux (oxalates ou phosphates de calcium) et dont la composition est, dans la littérature, présumée associée à la nature des lésions : cancéreuses ou non. Malgré la multiplication des recherches sur le sujet au cours des dix dernières années, les processus de formation de ces MCMs et leur lien avec les pathologies et notamment les cancers du sein restent mal compris. Dans ce contexte, une description chimique des MCMs à l'échelle nanométrique pourrait fournir un nouvel éclairage et aider à la compréhension de leur genèse. Les biopsies mammaires (typiquement quelques millimètres à quelques centimètres) contiennent généralement plusieurs MCMs avec une forte dispersion en taille, de quelques centaines de nanomètres à un millimètre. Une stratégie de caractérisation multi-échelle est donc nécessaire pour décrire chimiquement l'entièreté de l'échantillon mais également accéder à une description fine des MCMs. Une approche multimodale et multi-échelle a ainsi été mise en place. Celle-ci permet d'étudier les propriétés morphologiques des MCMs en utilisant la microscopie électronique à balayage, ainsi que leurs propriétés chimiques à l'échelle micrométrique et nanométrique grâce à la microscopie et nanospectroscopie IR (e.g., AFM-IR). Bien que l'étude d'objets inorganiques et cristallins au sein d'une matrice organique par AFM-IR soit complexe, en raison des fortes variations locales des propriétés optiques et mécaniques au sein de ces matériaux hybrides, nous avons réussi à caractériser par AFM-IR des dépôts calciques au sein de tissus biologiques. La mise en œuvre d'une telle approche comporte plusieurs défis, tant d'un point de vue méthodologique qu'expérimental, notamment pour la préparation des échantillons, au cours des mesures, du traitement et de la gestion des données générées, ainsi que de leur interprétation. Tous ces aspects seront détaillés et des solutions proposées illustrant ainsi les capacités de l'AFM-IR pour l'étude des biomatériaux complexes.

In the biomedical field, understanding the physicochemical changes at the cellular level in tissues can be crucial for unraveling the mechanisms of pathological phenomena. However, the number of techniques providing chemical descriptions at the cellular/molecular level is limited. Infrared (IR) nanospectroscopy techniques, particularly AFM-IR (Atomic Force Microscopy-infrared), are promising as they offer materials' chemical descriptions at the nanometer scale. Up to now, AFM-IR is mainly used in biology for studying individual cells or micro-organisms, but its direct application in biological tissues is relatively scarce due to tissue sections' complex nature. Yet, many applications could benefit from such description, such as mineralization phenomena in breast tissue. Breast microcalcifications (BMCs) are calcium-based deposits (such as calcium oxalate and calcium phosphate) hypothesized to be associated with some breast pathologies, including cancer. Despite increased research over the past decade, BMCs' formation process and connection with breast conditions remain poorly understood. Still, BMCs nanoscale chemical speciation might offer new insights into their chemical architecture. However, breast biopsies typically range from a few millimeters to a few centimeters, containing many BMCs ranging from hundreds of nanometers to a millimeter. Thus, a breast biopsy multiscale characterization strategy is required to provide both a global chemical description of the sample and a fine chemical description of BMCs. We, thus, propose a new multimodal and multiscale approach to investigate BMCs' morphological properties using scanning electron microscopy and their chemical composition at the microscale using IR spectromicroscopy, extending up to the nanometer scale thanks to AFM-IR analysis. Although AFM-IR measurements of inorganic and crystalline objects can be challenging due to their specific optical and mechanical properties, we demonstrate AFM-IR capabilities to characterize pathological deposits directly in biological tissues. Furthermore, implementing a multimodal and multiscale methodology comes with significant challenges in terms of sample preparation, measurements, data processing, and data management, as well as their interpretation: challenges which will be outlined and addressed.