Contexte

Depuis une quinzaine d’années, nous avons travaillé à mieux cerner les deux fondements de l’interaction entre ondes électromagnétiques et matière biologique aux fréquences micro-ondes et millimétriques. Outre la pénétration dans la matière biologique, donnant accès à l’activité diélectrique intracellulaire, ces ondes offrent également une très grande sensibilité aux molécules d’eau, constituant essentiel de la matière vivante. Toute modification de la structuration du réseau moléculaire de l’eau, incluant la proportion eau libre et eau liée et intervenant par exemple lors de l’ajout ou la modification de molécules ou particules, résulte en une modification de la réponse diélectrique micro-onde du milieu. Aux fréquences micro-ondes, la réponse diélectrique est donc dominée par celle des molécules d’eau, qui constituent ainsi un marqueur naturel. L’objectif de nos travaux est de comprendre, mettre en évidence et exploiter les capacités de détection et d’analyse de la technique de spectroscopie diélectrique micro-onde à différentes échelles, allant des molécules, micro-organismes, aux cellules jusqu'aux organes, que ce soit in vitro, in vivo, à divers niveaux de résolution spatiale et de résolution temporelle, et pour des domaines applicatifs variés (biologie, médecine, agriculture, chimie).

Figure 1 : Systèmes et modèles étudiés par la technique de spectroscopie diélectrique micro-onde classifiés selon l'échantillon étudié, la méthode de mesure et la résolution spatiale.

Nous nous intéressons en particulier à l’analyse en milieu de culture de la réponse de cellules biologiques soumises à différents stimuli (i) chimiques, comme des agents thérapeutiques [1], (ii) électriques pour l’électroporation de la membrane et faciliter l’entrée de molécules [2], ou (iii) thermiques, en statique et en dynamique [3].

Parallèlement à ces études in vitro, des travaux in vivo concernant des domaines applicatifs nouveaux sont explorés tels que la quantification et d’identification des moisissures présentes dans les vaisseaux spatiaux ou encore l’agriculture de précision pour le sexage précoce des œufs et le suivi des organes (cas de la détection de mélanome de la peau, ou pour l’évaluation de l’efficacité des traitements du lymphœdème chez la souris [4]).

Pour cela, nous développons un arsenal de capteurs et de dispositifs de détection répondant à la spécificité des échantillons à analyser.

Pour le domaine biologique et biomédical, des perspectives de diagnostics précoces et de thérapies personnalisées, grâce à l’évaluation amont de l’efficacité d’agents thérapeutiques sur les cellules du patient, sont envisagées. Pour l'agriculture, nos études visent le bien-être animal.

Exemple de résultats

Spécificité de la réponse de la technique de spectroscopie diélectrique micro-onde

Pour les applications à visées biologiques et médicales, il est crucial d’établir le caractère spécifique de la réponse de la technique de spectroscopie diélectrique micro-onde. Nous avons démontré que la discrimination de différentes biomolécules telles que des acides aminés en solution aqueuse et de cellules de sous-populations de lymphomes B est possible (Figure 2) [5, 6]. Pour ces dernières, seules des analyses cytogénétiques destructrices, coûteuses et chronophages permettent une telle sélectivité.

Figure 2 : a) Réponses diélectriques de différents acides aminés. b) Réponses diélectriques de différentes lignées cellulaires de lymphomes B montrant leur possible discrimination.

Références

• [1] K. Grenier et al., IEEE IMBioC 2018 ; A. Zedek et al., IEEE IMS 2017 ; A. Tamra et al., IEEE IMBioC 2019
• [2] A. Tamra et al., IEEE T-MTT 65 (9), 3512-3518 (2017) ; A. Tamra et al. IEEE J-ERM, 3 (2) (2019)
• [3] A. Zedek et al., IEEE IMS 2017, Jun 2017, Honolulu, United States. (2017)
• [4] D. Dubuc et al., IEEE IMBioC 2017 ; F. Morfoisse et al., ATVB, 38 (5), (2018)
• [5] F. Artis et al., IEEE IMBIoC 2018
• [6] K. Grenier et al., IEEE IMS 2018