Imagerie du collagène par holographie digitale de seconde harmonique

Le sujet de thèse proposé vise principalement à développer un microscope multifonctionnel basé sur l’holographie numérique pour l’étude de systèmes cellulaires. L’originalité du travail réside dans l’utilisation d’une source à courte longueur de cohérence associée à une mesure de la réponse optique non linéaire (génération de second harmonique) des échantillons biologiques. A partir de l’enregistrement digital d’hologrammes par des caméras, l’image est reconstruite par calcul numérique. La microscopie holographique digitale (MHD) offre l’avantage de produire des images en contraste de phase quantitatif et surtout elle donne accès à plusieurs plans image à partir d’un seul enregistrement grâce à une modification numérique de la focalisation (imagerie multi-focus). Il s’agit d’une propriété particulièrement utile pour les mesures à haute résolution avec fort grandissement, pour l’observation de phénomènes rapides comme pour les mesures sur de longues périodes qui exigent une automatisation de la focalisation à cause des inévitables dérives mécaniques ou thermiques. Le suivi en 3D d’objet microscopique en mouvement est une autre application remarquable de la microscopie holographique. L’utilisation de source d’illumination large bande à faible longueur de cohérence comme envisagé dans le projet ouvre la possibilité d’augmenter la résolution de la MHD notamment grâce à une réduction des interférences parasites liées aux réflexions dans les différents éléments du montage. Ainsi une résolution inférieure à 8 nm sera visée.
Par ailleurs au-delà des techniques d’imagerie linéaire classiques (transmission ou réflexion) ce sont développés ces dernières années de multiples techniques d’imagerie sélective reposant sur la réponse non linéaire des éléments biologiques soumis à une excitation laser brève. La génération de second harmonique (SHG) en particulier est une réponse non linéaire cohérente qui ne nécessite pas de marquage et que l’on se propose d’associer ici avec un dispositif de microscopie holographique. Cela doit permettre de joindre les capacités de la MHD (image plein champ, imagerie 3D, haute résolution spatiale, enregistrement unique,…) avec la sélectivité de la réponse SHG endogène liée à la présence de structures moléculaires spécifiques, d’interfaces, de potentiels membranaires.
Le plan de travail de thèse passera par des étapes de conception, de développements expérimentaux, de caractérisation et de développement de traitements numériques.
Parmi les applications envisagées pendant la thèse, il y en a une qui concerne plus particulièrement l’imagerie du collagène et de matrices cellulaires. En effet dans la production de peau artificielle pour les transplantations ou pour les expériences de toxicologie et de dermatologie, des cellules humaines primaires ainsi que du collagène d’origine animale sont employés. La qualité de la matrice extracellulaire est cruciale pour obtenir un produit final réellement exploitable. Ainsi dans le cadre de cette thèse une attention particulière sera portée sur l’imagerie du collagène dermique et sur son exploitation pour apprécier la qualité de peau artificielle au cours du procédé de production. Un autre champ d’application se rapporte à l’imagerie du collagène artificiel afin d’en améliorer la fabrication. Au delà de ces exemples les capacités du microscope multifonctionnel envisagé sont susceptibles d’intéresser tout le secteur de la recherche biomédicale et de l’industrie biologique, pharmaceutique et médicale.

Contact: Frédéric Louradour

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