1 / 22 journées de prospective dapnia – in2p3 2004 caractérisation physique et chimique pour le...

1 / 22Journées de prospective DAPNIA – IN2P3 2004

Caractérisation Physique et Chimiquepour le Vivant

Sébastien Incerti Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux - Gradignan IN2P3/CNRS Université Bordeaux 1 33175 Gradignan E-mail : [email protected]

représentant les équipes du LPC Clermont, du CENBG, de l’IPN-Lyon et de l’IPN-Orsay

Journées de prospective IN2P3-DAPNIAJournées de prospective IN2P3-DAPNIALa Colle sur LoupLa Colle sur Loup

15 Octobre 200415 Octobre 2004


Des thèmes de recherche transversaux

Application de techniques issues de la Physique Nucléaire à la caractérisation de systèmes biologiques, en collaboration avec des biologistes, des chimistes et des médecins.

• la biologie, la santé et l’environnement• de la recherche fondamentale à la valorisation industrielle

• Des domaines de recherche pluridisciplinaires à large spectre

Savoir faire et compétences instrumentales à l’IN2P3 et à l’Université

• faisceaux d’ions et d’agrégats : sources, transport, focalisation • détection de particules

• Des atouts uniques

• Van de Graaff 2 MV de l’IPNL• Van de Graaff 3.5 MV du CENBG• Tandem 15 MV à l’IPNO

• Développés auprès d’accélérateurs d’ions légers / polyatomiques

Techniques : imagerie, analyse chimique élémentaire et irradiation locale à l’échelle micrométrique.


Les axes de recherche

• Trois axes de recherche regroupent l’ensemble des activités• Quatre groupes interdisciplinaires de l’IN2P3 / Université • Indépendants de programmes de recherche externes

● La caractérisation de bio-molécules pour la bactériologie, l’exobiologie et l’environnement - groupe Interaction Ion - Matière de l’IPN Orsay (S. Della-Negra et al.)- groupe Collisions Atomiques dans les Solides de l’IPN Lyon (M. Fallavier et al.)

● Les bio-matériauxéquipe Physique Nucléaire appliquée aux bio-matériaux du LPC Clermont (E. Jallot et al.)

● L’étude d’expositions environnementales à l’échelle du tissu biologique et de la celluleéquipe Interface Physique-Biologie du CENBG (Ph. Moretto et al.)


1 - Les bio-matériaux : objectifs et méthodes

Caractérisation physico-chimique des interfaces biomatériaux / tissus vivants

Substituts osseux, revêtements prothétiques

- Cartographies élémentaires quantitatives et étude des éléments traces

● Echelle micrométrique par faisceaux d’ions : – Particle Induced X-ray Emission : dosage multi-élémentaire, Na – Rutherford Back Scattering : couches minces, interfaces, C

● Echelle nanométrique par faisceaux d’électrons : – Scanning Transmission Electron Microscopy : morphologie – Energy Dispersive X-ray Scatter : profils de concentration

- Etude localisée de l’environnement chimique des éléments

● X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy : état d’oxydation atomique

● Electron Energy Loss Spectroscopy : composition (légers)

Etude des structures fines près des seuils d’ionisation (ELNES) : liaison chimique


Les bio-matériaux : activités

● Etude des réactions physico-chimiques aux interfaces céramiques bioactives (bioverres, phosphates de calcium) / tissus vivants

- Diffusion d’ions aux interfaces, processus de bioactivité : complexité réactions, rôle des éléments traces - Dissolution et dégradation des céramiques - Activité cellulaire et viabilité précoce : mesures des concentrations des ions diffusibles (Na, K, P, S, Cl) dans les cellules exposées aux différentes biocéramiques (cryo-méthodes)

Collaborations - Société Depuy-Bioland- INSERM ERM 0203 Reims (Microscopie Electronique Analytique)- CENBG

● Analyse du transfert d’éléments métalliques (Ti, Al, Co, Cr) à l’interface prothèse métallique / tissus vivants

Nature, teneur, répartition des débris métalliques : corrosion sous forme ionique ou relargage de particules

Collaborations - Institut Callot (orthopédie)

- LURE- CERI- CENBG

● Développement de modèles de percolation pour les biomatériaux afin de modéliser les transferts d'éléments, et la vascularisation d'implants de coraux et de biomatériaux dans les os

- Influence de la taille des biomatériaux (corail, hydroxyapatite) et de la porosité sur la résorption osseuse - Etude de modèles bi-dimensionnels et tri-dimensionnels

Collaboration l’équipe de physique théorique du LPC Clermont (J.F. Mathiot et al.)


● Caractérisation des interactions biocéramiques / fluides biologiques / cellules osseuses à l’échelle micrométrique et nanométrique pour un contrôle fin de la bioactivité et du comportement en solution des biocéramiques

cartographies chimiques de l’interface à l’échelle micrométrique et nanométrique avec une bonne sensibilité

IONS ELECTRONS

PIXE – RBS STEM – EDXS – EELS

Programme AIFIRA au CENBG (nanosonde)

● Elaboration de céramiques bioactives et nanostructurées par chimie douce (procédé Sol-Gel, collaboration avec les chimistes du LMI Clermont-Ferrand), pour contrôler précisément la bioactivité et le comportement en solution du verre bioactif.

Les bio-matériaux : perspectives


Exploration chimique du milieu vivant pour étudier l’exposition environnementale à des

nanoparticules et métaux

2 - L’exposition environnementale

Techniques : STIM – PIXE – RBS

Analyser la localisation intracellulaire de composés toxiques sur des systèmes cellulaires in vitro pour pour évaluer le mode de transfert, déterminer les cibles cellulaires spécifiques et comprendre les mécanismes impliqués.

Les microfaisceaux d'ions développées au CENBG permettent cette exploration chimique du milieu vivant en termes :

• d’éléments traces essentiels à la vie (Mn, Fe, Cu, Zn...)

• d’ions inorganiques entrant dans la majorité des échanges ioniques (Na, P, S, Cl, K, Ca)

• de métaux cyto-toxiques (Cr, Co, Pb , Hg, Pt)


L’exposition environnementale

● Dermatologie et dermocosmétique : pénétration de métaux et nanoparticules à travers la barrière cutanée humaine (2003-2005)- exposition chronique à des nanoparticules de TiO2 employées massivement comme filtres physiques dans les crèmes solaires- divers modèles de peau et d’épiderme reconstruits dans le but d’une utilisation future dans le cadre d’études de pénétration - comparaison et validation d’un épiderme commercialisé par une société privée dans le cadre d’un contrat de valorisation (SkinEthic, Nice)

Collaborations - consortium européen NANODERM du 5ème PCRD, 11 laboratoires européens- laboratoire des facteurs de défense et de régulation cellulaire – EA 1915, Université de Bordeaux 1- laboratoire d’évaluation clinique en dermocosmétique, Institut de recherche Pierre Fabre, Vigoulet-Auzil

● Oncologie : étude des modes d’administration d’un anticancéreux à base de Pt - action d’un vasoconstricteur (épinéphrine) pour diminuer le flux sanguin autour du tissu tumoral, retarder l’élimination systémique de la drogue et augmenter la durée d’exposition- méthode d’injection intrapéritonéale sous pression

Collaboration groupe d’étude sur la résistance des cellules épithéliales aux médicaments cytotoxiques, CJF INSERM 94/08,

Faculté de médecine de Dijon

● Toxicologie nucléaire et environnementale (2004-2006)- programme inter-organismes CNRS-CEA-INSERM-INRA de Toxicologie Nucléaire Environnementale (Tox-NucE) pour coordonner un ensemble de programmes interdisciplinaires pour l’étude des effets radio- et chimio-toxiques des métaux et radioéléments sur le vivant (ex : transfert sol-plantes, voie alimentaire chez l’homme…)- études sur l’internalisation de métaux et de particules solides (par ex., pour la décorporation)- développement de techniques d’analyse chimique élémentaire en 2D et 3D à l’échelle de la cellule individuelle

Collaborations - programme européen PROCOPE avec l’Université de Leipzig- A. Simionovici, ENS Lyon et R. Ortega, CNAB, CNRS-DSC et Université de Bordeaux 1 (Tox-NucE)


Septembre 2005 : le pôle aquitain AIFIRA

AApplicationspplicationsIInterdisciplinaires desnterdisciplinaires desFFaisceauxaisceauxIIoniques enoniques enRRégionégionAAquitainequitaine


plan Etat-région Aquitaine, FEDER, Université, IN2P3+DSC+SHS : 2.8 M€ accélérateur électrostatique simple étage générateur HT : 3.5 MV Cockroft-Walton source RF : H+, D+, He+

fortement automatisé

• Stabilié en énergie (nanofaicseau) E/E ~ 2.5 10-5 (Van de Graaff : 5.10-4) Pas de parties mobiles

• Forte brillanceMesure après les fentes objet : 18 A.rad-2.m-2.eV-1

• Haut flux :Production de neutrons Réactions nucléaires pour la caractérisationIntensité à 3.5 MeV (sortie) : 100 µA (H+) et 80 µA (He+)

• Spécifications en résolution spatiale de la ligne nanofasceau :< 300 nm (haut flux) (Van de Graaff : ~5 µm) < 100 nm (bas flux) (Van de Graaff : 1.5 µm)

Un nouvel accélérateur au CENBG


Nanofaisceau Analyse haute résolution

TomographieIrradiation localisée

Induction locale de charges

Microfaisceau(actuel)

Faisceau extrait radiobiologie

CharpaAnalyse en macrofaisceau et caractérisationLigne automatiséePoussières atmosphériques Ligne de Physique

Production de neutrons

Faisceau extraitAnalyse à l’air de gros volume

Echantillons archéologiques

Cinq lignes de faisceau


Fin 2005, la région Aquitaine disposera d'une plate-forme unique en France

de techniques d'analyse et de caractérisation dans des domaines extrêmement variés

• biologie - médecine

• environnement

• matériaux

• microélectronique

• patrimoine culturel

• retraitement des déchets nucléaires / combustibles innovants


3 - Les bio-molécules

Recherche plurisdisiplinaire :bactériologie, exobiologie et environnement

basée sur l’analyse de surface par bombardement ionique associé à la spectrométrie de masse

● Recherche instrumentale– développement de sources d’ions poly-atomiques fournissant des fullerènes ou des agrégats d’or (100 atomes) du keV à qlq 10 MeV (Secondary Ion Mass Spectrometry)

– R&D spectrométrie de masse détecteurs multipixels et électronique-informatique associée

● Recherche fondamentale

– compréhension du dépôt d’énergie des projectiles poly-atomiques

– mécanismes d’émission ionique secondaire (multiplicité, énergie, distributions angulaires)

Unique au monde

Moyens : sources d’ions + accélérateurs Van de Graaff (Lyon) et Tandem (Orsay)


Les bio-molécules : activités

● Environnement : l’analyse in-situ des polluants organiques et biologiques adsorbés sur solidesdirectement à partir de l’échantillon de sol pour s’affranchir des pré-traitementsCollaborations - thématique de l'Institut des Sciences Analytiques de Lyon (labos de Univ. Lyon 1)- CNRS Libanais (programme CEDRE France-Liban)

● Biologie : identification et caractérisation de bio-molécules issues de tissus biologiques, de cellules et de bactéries par de nouvelles méthodes de désorption-ionisation en spectrométrie de masse- les endotoxines (bactéries à Gram négatif : coqueluches, peste) : infections

nosocomiales, cancer…- des médiateurs lipidiques et peptidiques produits par les cellules utérines

Collaboration avec les équipes "Endotoxines" et "Signalisation et Régulation Cellulaire" de l' IBBMC de l’Université Paris Sud

● L’analyse d’échantillons extraterrestres contenant de la matière organique- micrométéorites et échantillons martiens- matière carbonée signant une activité bactérienne

(macromolécules HAP ou hydrocarbures aromatiques polycycliques)- nouvelle thématique pluridisciplinaire : l’évolution chimique et biologique en milieu

extrême ou exobiologie

Collaboration au sein de l’université Paris Sud : IAS, LPPM, LAC, IPNO


Les bio-molécules : perspectives

Deux objectifs ● améliorer la sensibilité de détection des ions moléculaires ● l’imagerie microscopique moléculaire

Moyens– Spectrométrie par temps de vol

Collaboration avec Ionwerks Inc (Houston USA)

– Détection (multipixels, échantillonage à 100 ps) Collaboration avec la plate-forme technologique D.T.P.I. (Détection Temps, Position, Image) de l’Université Paris Sud (SPM, DSC, IN2P3)

– Source d’ions Electron Cyclotron Resonance & Liquid Metal Ion Source pour obtenir des micro-faisceaux d’agrégats dans le domaine sub-micrométrique avec des agrégats d’or plus lourds, des fullerènes et nano-tubes

Collaboration avec Orsayphysics et Pantechnik


La coordination nationale et européenne

● Laboratoires nationaux disposant de techniques d’analyse complémentaires CERI (CNRS), LURE (CNRS/CEA/MENRT)

● Sociétés privées pour les développements techniques en instrumentation Pantechnik, Orsay Physics, Ionwerks

● Organismes nationaux engagés dans la caractérisation pour le vivant

- dans le domaine médical et dans le domaine de la santé(INSERM, Laboratoires Pierre Fabre, Groupe de Biologie et Thérapie des cancers de la Faculté de médecine de Dijon, l’institut Calot de Berck-sur-Mer, les labos du National Institute of Health, société Depuy-Bioland)

- en biologie et en biochimie (laboratoire des facteurs de défense et de régulation cellulaire de l’Université Bordeaux 1, l’Institut de Biochimie, Biophysique Moléculaire et Cellulaire du CNRS, N.I.H)

- en sciences de l’environnement programme de toxicologie nucléaire environnementale inter-organismes ToxNucE CNRS-CEA-INSERM-INRA, Institut des Sciences Analytiques de l’Université Lyon 1)

- dans le domaine spatial : Institut d’Astrophysique Spatiale

● Programmes de recherche européens et internationaux : réseau européen de dermatologie et de dermocosmétique NANODERM dans le cadre du 5ème PCRD, financement bilatéral franco-germanique PROCOPE avec l’Université de Leipzig, programme bilatéral franco-libanais CEDRE


Les atouts de l’IN2P3 et de l’Université

• Expertise scientifique, technique et instrumentale accélérateurs d’ion légers, faisceaulogie associée et détection

• Maîtrise de conduite de projets à grande échelle pour la mise en place de programmes de recherche interdisciplinaires novateurs

ex. : le pôle d’excellence en faisceaux d’ions AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine), fortement soutenu par l’Université Bordeaux 1, la région Aquitaine, l’IN2P3 et le DSC du CNRS.

Cette culture de conduite de projets et l’organisation projet-services résultante favorise la collaboration avec d’autres instituts et les entreprises privées

• Soutien du développement d’une physique à l’interface associée et forte implantationlocale des laboratoires hors région parisienne leur permettent d’acquérir une légitimité régionale contribuant à la visibilité de l’IN2P3 en régions

• Les échanges interdisciplinaires se font systématiquement avec des laboratoires qui ne collaborent pas naturellement avec l’Institut (INSERM, hôpitaux, sciences du vivant du CNRS). Contribue au rayonnement de l’Institut dans des environnements non coutumiers

18 + 28 + 17 = 63 publications dans des journaux à dominante Science de la Vie

• Echanges souvent soutenus par des programmes européens qui correspondent bien à l’esprit des appels d’offre favorisant l’interdisciplinarité.


Le long terme

L’échelle nanométrique

• Nouvel accélérateur d’ions légers AIFIRA équipé d’une ligne nanosonde (automne 2005)

• Faisceaux d’ions polyatomiques TANCREDE

• Nanofaisceaux d’agrégats d’or


Moyens humains IN2P3 / Université (chercheurs)

PermanentsJeunes

chercheurs

3(1 PR + 1 PRE + 1 MC)

2(1 T + 1 S)

4(1 PR + 1 DR

+ 1 MC + 1 CR)

7(2T + 1 ATER + 4 PostDocs)

5 + 1 IR(3 DR + 2CR)

2(1T + 1 PostDocs)

2004

Permanents

2

4

2 + 1 IR

2010

Bio-matériaux

Bio-molécules

Exposition c.

13 911

…

…


Les activités interdisciplinaires de l’IN2P3 et de l’Université dans le domaine de la caractérisation physique et chimique du vivant font partie d’une recherche finalisée.

Cette recherche doit pouvoir revendiquer ses moyens comme toute ligne de recherche de l’Institut.

L’IN2P3 peut à son tour exploiter la visibilité vers le grand public d’une recherche qui lui permet d’associer le nom de l’Institut aux grands programmes gouvernementaux (le Plan Cancer par exemple).

Tout comme la recherche la plus fondamentale, Tout comme la recherche la plus fondamentale, elle contribue au rayonnement elle contribue au rayonnement

de notre département scientifiquede notre département scientifique

Conclusion


Trois événements majeurs

• 4 - 5 Novembre 2004 au CENBG

Journées de prospective AIFIRAhttp://www.cenbg.in2p3.fr

• Septembre 2005 au CENBG / Univ. Bordeaux 1

10th GEANT4 workshop : 7 days• Collaboration workshop (4 days)• User session at Physics-Medicine-Biology frontier (2 days)• Short G4 course for new comers (1 day)

http://[email protected]

• Automne 2005 au CENBG : inauguration du pôle AIFIRA


Merci pour votre attention


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8000300 350 400 450 500 550 600 650

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m/z = 865m/z = 849 PhospholipidsIn

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m/z = 511

m/z = 495

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Histone H4

Inte

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m / z

Mode réflectron Mode linéaire

MILDI appliqué à une coupe de cerveau de rat

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