Letteratura scientifica selezionata sul tema "Effet bioélectrique"

De nos jours, la bioélectronique devient une discipline à haut potential biomédical et pharmacologique. Les résultats de recherches présentés dans ce manuscrit sont ciblés sur l'application de biocapteurs électrochimiques et optiques sans marquage pour suivi des interactions bioafines et biocatalytiques de certains petits xénobiotiques (odorants et glycoalcaoïdes) avec des biomacromolécules immobilisées telles que le récepteur olfactif humain RO 17-40 couplé à la protéine G et les cholinestérases de sérum humain et équin. Les butyryl cholinestérases immobilisées sur la surface de transistors à l'effet de champ sensibles au pH suivent une cinétique de Michaelis pour l'hydrolyse de leurs substrats. Les glycoalcaloïdes l'α-solanine, l'α-chaconine et la tomatine inhibent l'enzyme équine de manière réversible et compétitive tandis que pour cholinestérase humaine, l'inhibition réversible mixte a été démontrée. L'α-chaconine est l'inhibiteur le plus fort de deux enzymes. Les interactions affines des glycoalcaloïdes avec la butyryl cholinestérase équine ont été étudiées en utilisant la spectroscopie d'impédance électrochimique. La détection directe des inhibiteurs faibles et compétitifs (l'α-solanine) peut être beaucoup plus sensible en absence des substrats enzymatiques. Le récepteur olfactif RO 17-40 a été employé avec succès dans deux plateformes de biocapteurs : impédimétrique et à base de résonance plasmonique de surface en tant qu'unité complexe capable de la bioreconnaissance des odorants. La possibilité du suivi direct des évènements moléculaires déclenchés par un récepteur stimulé par son agoniste est un premier pas vers le "nez bioélectronique"
Nowadays, bioelectronics becomes a discipline with prominent biomedical and pharmacological potential. Investigations reported in this manuscript are focused on the use of label-free electrochemical and optical biosensors for the study of bioaffinity and biocatalytic interactions of some small xenobiotics (odorants and steroid glycoalkaloids) with immobilized macromolecules, namely, G protein-coupled human olfactory receptor OR 17-40 and cholinesterases from human and equine serum. The butyryl cholinesterases immobilized on pH-sensitive field-effect transistors follow Michaelis kinetics of hydrolysis of their substrates. Glycoalkaloids α-solanine, α-chaconine and tomatine inhibit the equine enzyme reversibly and competitively while for the human cholinesterase a mixed mode of reversible inhibition is suggested. α-Chaconine is the most potent inhibitor of both enzymes. The affinity interactions of glycoalkaloids and equine butyryl cholinesterase have been probed with electrochemical impedance spectroscopy. The absence of enzymatic substrate can significantly improve label-free detection of weak and competitive inhibitors (α-solanine). Olfactory receptor OR 17-40 has been successfully employed as odorant-recognition part of impedimetric and surface plasmon resonance-based platforms. Possibility of direct monitoring molecular events trigeered by agonist-stimulated receptor is the first step towards the "biolectronic nose"

Les biofilms sont à l'origine de nombreux problèmes industriels, sanitaires et domestiques conduisant à d’intenses activités de recherche pour concevoir des solutions pour lutter contre leur formation et développement. Deux voies sont classiquement utilisées pour résoudre ces problèmes, soit l’utilisation de polymères anti-salissures soit des surfaces antibactériennes agissant par effet de contact ou par libération continue de biocides. Par ailleurs, des surfaces sensibles à divers stimuli (microenvironnement, lumière, ondes acoustiques etc.) ont été développées pour libérer de manière contrôlée les agents biocides. De plus, l’action d’un potentiel électrique (effet bioélectrique) a suscité un intérêt pour perturber les biofilms, mais reste sous-exploité. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail avec le développement de surfaces électrostimulables biocompatibles à partir soit de (i) monocouches auto-assemblées (SAMs) déposées sur électrodes de titane ou d’or, (ii) polymères conducteurs (PCs) fonctionnalisés, pour empêcher l'adhésion/tuer les bactéries. Les SAMs à base de phosphoniums ont démontrées d’intéressantes propriétés antibactériennes, sans libération d’agent biocide, contre des souches Gram positive et négative (S. aureus, K. pneumoniae). D’autres part des films minces d’homo- et copolymères de PCs, à base de pyrrole fonctionnalisés par des phosphoniums, ont été obtenus par électropolymérisation et analysés en modifiant et en appliquant un ensemble de paramètres et testés comme antibactérien. Enfin, des phosphoniums hydrophiles ont été synthétisés et des études préliminaires ont mis en évidence leur intérêt potentiel comme vecteurs de médicaments
Bacterial biofilms are in the background of many industrial, health and domestic adverse effects with economic losses leading to intensive research to design solutions to combat their formation and development. Two routes are commonly used to solve these issues, one aiming at preventing the adhesion of bacteria and the other at inhibiting and killing adhered microorganisms. Recent work has been done in that direction with the use of polymer-based antifouling or antibacterial surfaces acting either by contact effect or continuous release of bacterial substances. Besides, responsive surfaces to various stimuli (microenvironment, light, acoustic waves, etc.) have been developed to release biocides in a controlled way. In addition, the use of an electrical potential (bioelectric effect) has aroused interest to disrupt biofilms but remains underexploited. The present work focuses on the development of biocompatible electrostimulable surfaces based on either (i) self-assembled monolayers (SAMs) deposited on titanium or gold electrodes, or (ii) functionalized conductive polymers (CPs), to prevent adhesion and/or kill bacteria. Phosphonium-based SAMs have demonstrated interesting antibacterial properties, without release of biocidal agent, against Gram positive and negative strains (S. aureus, K. pneumoniae). In addition, thin films of homo- and copolymers of phosphonium-based pyrrole CPs were obtained by electropolymerization, and analyzed by modifying and applying a set of parameters and tested as antibacterial coatings. Lastly, hydrophilic phosphoniums have been synthesized and preliminary studies have highlighted their potential use as nanocarriers for drug delivery

Les cellules mélanotropes du lobe intermédiaire de l'hypophyse secrètent l'α-mélanocyte-stimulating-hormone (α-MSH). Chez la grenouille, le GABA, via l'activation des récepteurs GABA(A)(RGABA(A)), provoque une stimulation transitoire suivie d'une inhibition de la libération d'α-MSH. Nous avons donc recherché les bases ioniques de cette réponse sécrétoire biphasique. Nous avons également étudié la modulation du RGABA(A) par divers stéroïdes. Les résultats montrent que la déhydroépiandrostérone (DHEA), libre ou sous la forme d'ester sulfate, ainsi que le sulfate de prégnènolone inhibent le courant évoqué par le GABA (IGABA). A l'inverse, les 3α-isomères des prégnanes potentialisent IGABA, en agissant sur un site extracellulaire distinct du site de liaison des benzodiazépines. A forte concentration (10 m), la prégnanolone induit une inhibition de IGABA liée à une accélération de la désensibilisation de la conductance au [Cl-]. De plus, à forte concentration, la prégnanolone active directement le RGABA(A). L'utilisation de la technique de patch perforé à la gramicidine, qui préserve la concentration physiologique intracellulaire en ions (Cl- ([Cl-]i), a révélé que le GABA dépolarise les cellules mélanotropes en générant un efflux de Cl-. La dépolarisation exercée par le GABA (0. 1 a 1 m) s'accompagne de potentiels d'action. A plus forte concentration (5 a 10 m), le GABA induit un effet de shunt abolissant complètement l'activité électrique. Parallèlement, le courant évoqué par le GABA provoque, par lui-même, une redistribution de Cl- à l'origine d'une dérive progressive de [Cl-]i. En conclusion, nos résultats démontrent pour la première fois que le GABA est un neurotransmetteur dépolarisant dans les cellules mélanotropes. Les stéroïdes exercent une modulation bidirectionnelle et stéréospécifique du RGABA(A). La dépolarisation évoquée par le GABA est à l'origine d'une activation des canaux calciques membranaires et du pic de sécrétion. A forte concentration de GABA, ou en présence d'un stéroïde potentialisateur, la dépolarisation est suivie d'un effet de shunt, probablement responsable de la phase inhibitrice de la réponse sécrétoire. De plus, les flux de Cl- activés par le GABA changent durablement la [Cl-]i, ce qui peut conduire à un rétrocontrôle négatif de la réponse à ce neurotransmetteur, in vivo.

Le mode d'action de la trimétazidine, substance pharmacologique utilisée lors du traitement de certaines atteintes cochléo-vestibulaires, a été étudié en utilisant comme modèle biologique le canal semi-circulaire isolé de grenouille. Le potentiel transépithélial et l'activité nerveuse spontanée des fibres afférentes sont mesurés dans des conditions de repos. Trois autres paramètres bioélectriques sont enregistrés lors de stimulations de l'épithélium sensoriel: le signal de la transduction, le signal lent du nerf ampullaire et la fréquence des potentiels d'action évoqués. Les différentes activités bioélectriques ont été étudiées en l'absence ou en présence de trimétazidine dans diverses conditions expérimentales cherchant à reproduire des phénomènes métaboliques liés a l'ischémie: la production des radicaux libres d'oxygène et la modification des concentrations calciques intra- et extracellulaires. Les résultats montrent que la trimétazidine prévient les effets délétères induits par les attaques radicalaires. L'administration de trimétazidine permet également de rétablir les activités bioélectriques modifiées par un milieu appauvri en calcium. Nos études suggèrent que l'effet bénéfique de la trimétazidine est principalement du à une action préventive sur la génération des radicaux libres d'oxygène. Par ailleurs, il est possible que la trimétazidine puisse agir comme agent régulateur des flux ioniques

Ce travail de thèse s'inscrit dans une démarche visant à évaluer et améliorer les performances des moyens existants pour l'étude des interactions entre les champs électromagnétiques et le corps humain. Ces moyens sont les méthodes de caractérisation des propriétés électriques macroscopiques des milieux biologiques, et les méthodes numériques permettant de modéliser et de calculer les champs induits par des sources de rayonnements électromagnétiques dans le corps humain.
Une brève description des milieux biologiques permet d'abord de souligner les difficultés liées à leur caractérisation électrique. Les différentes méthodes de caractérisation existantes sont présentées en mettant en valeur leurs particularités dans les domaines fréquentiels où elles s'appliquent. Les valeurs de permittivité et de conductivité données dans la littérature sont présentées pour montrer leurs spécificités et le manque de connaissance sur leur précision. Une méthode de caractérisation classique par mesure d'impédance à 4 électrodes est ensuite étudiée en détail entre 10Hz et 10MHz. Le système de mesure réalisé est testé sur des solutions ioniques pour en établir des modèles complets prenant en compte les éléments pouvant affecter la précision des résultats. Ces modèles sont utilisés pour estimer l'erreur de mesure et pour optimiser la méthode de caractérisation à 10Hz et 10MHz.
Les différentes méthodes numériques permettant la modélisation des problèmes de calcul de champs induits dans le corps humain sont ensuite présentées. Les difficultés de la modélisation de l'exposition de l'homme aux champs électromagnétiques sont explicitées. Elles sont dues aux propriétés électriques et géométriques particulières du corps et à la diversité des sources de rayonnement. Les différentes formulations et conditions aux frontières du domaine de calcul spécifiquement applicables au problème sont détaillées. En utilisant la méthode des éléments finis et en supposant les propriétés électriques du corps connues, différents modèles (maillage, formulation, conditions aux frontières) sont enfin étudiés. Leurs performances sont évaluées sur des problèmes canoniques 2D et 3D représentatifs. Les résultats permettent d'évaluer l'erreur sur calcul des phénomènes induits et de faciliter le choix d'une modélisation adaptée sur la gamme de fréquence 10Hz-1GHz.
Le travail proposé vise principalement à donner des arguments pour justifier de la pertinence des résultats des études de l'interaction champs électromagnétiques/corps humain. Il peut aussi trouver des applications directes dans la caractérisation précise des milieux biologiques et dans l'établissement de nouvelles normes sur l'exposition des hommes aux champs électromagnétiques.

Ce travail de thèse s’inscrit dans une démarche visant à évaluer et améliorer les performances des moyens existants pour l’étude des interactions entre les champs électromagnétiques et le corps humain. Ces moyens sont les méthodes de caractérisation des propriétés électriques macroscopiques des milieux biologiques, et les méthodes numériques permettant de modéliser et de calculer les champs induits par des sources de rayonnements électromagnétiques dans le corps humain. Une brève description des milieux biologiques permet d’abord de souligner les difficultés liées à leur caractérisation électrique. Les différentes méthodes de caractérisation existantes sont présentées en mettant en valeur leurs particularités dans les domaines fréquentiels où elles s’appliquent. Les valeurs de permittivité et de conductivité données dans la littérature sont présentées pour montrer leurs spécificités et le manque de connaissance sur leur précision. Une méthode de caractérisation classique par mesure d’impédance à 4 électrodes est ensuite étudiée en détail entre 10Hz et 10MHz. Le système de mesure réalisé est testé sur des solutions ioniques pour en établir des modèles complets prenant en compte les éléments pouvant affecter la précision des résultats. Ces modèles sont utilisés pour estimer l’erreur de mesure et pour optimiser la méthode de caractérisation à 10Hz et 10MHz. Les différentes méthodes numériques permettant la modélisation des problèmes de calcul de champs induits dans le corps humain sont ensuite présentées. Les difficultés de la modélisation de l’exposition de l’homme aux champs électromagnétiques sont explicitées. Elles sont dues aux propriétés électriques et géométriques particulières du corps et à la diversité des sources de rayonnement. Les différentes formulations et conditions aux frontières du domaine de calcul spécifiquement applicables au problème sont détaillées. En utilisant la méthode des éléments finis et en supposant les propriétés électriques du corps connues, différents modèles (maillage, formulation, conditions aux frontières) sont enfin étudiés. Leurs performances sont évaluées sur des problèmes canoniques 2D et 3D représentatifs. Les résultats permettent d’évaluer l’erreur sur calcul des phénomènes induits et de faciliter le choix d’une modélisation adaptée sur la gamme de fréquence 10Hz-1GHz. Le travail proposé vise principalement à donner des arguments pour justifier de la pertinence des résultats des études de l’interaction champs électromagnétiques/corps humain. Il peut aussi trouver des applications directes dans la caractérisation précise des milieux biologiques et dans l’établissement de nouvelles normes sur l’exposition des hommes aux champs électromagnétiques
This work is part of a process aiming at evaluating and improving the performances of existing tools for the study of the interactions between the electromagnetic fields and the human body. The tools include characterisation methods to measure the macroscopic electrical properties of biological media, and numerical methods allowing to model and compute the fields induced by electromagnetic sources in the human body. The main properties of biological tissues are first described in order to explain the difficulties of their electrical characterisation. The existing characterisation methods are presented. Their specificities and operating frequency range are emphasized. Permittivity and conductivity values found in the literature are used to show the main parameters they depend on and the lack of knowledge on their accuracy. A usual characterisation method based on four-electrode impedance measurements is then studied between 10Hz and 10MHz. The measurement system is developed and tested on ionic solutions in order to build reliable and complete models. These models are used to estimate the accuracy of the measure and to optimize the characterisation method at 10Hz and 10MHz. Various numerical methods that allow modelling and computing induced electromagnetic phenomena in the body are then presented. The difficulties of the modelling are explained and linked to the unusual electrical and geometrical properties of the human body, and to the diversity of the sources of electromagnetic fields. Formulations and boundary conditions especially developed for the problem are described. Using the finite element method, and assuming the electrical properties of the body are known, various models (mesh, formulation, boundary conditions) are studied. Their efficiency is evaluated by simulating 2D and 3D representative canonical problems. The results allow estimating the accuracy of the computation and choosing the more efficient modelling for each frequency between 10Hz and 1GHz. The work gives arguments which can be used to prove the consistency of the results when studying the interaction between the electromagnetic fields and the human body. It has also direct applications in the accurate characterisation of biological media and in the establishment of new norms on human exposure to electromagnetic fields

La manipulation des membranes des cellules en suspension ou dans des tissus au moyen d'impulsions électriques constitue un sujet de recherche majeur au cœur du bio-électromagnétisme. A ce jour les impulsions de quelques microsecondes voire millisecondes ont été principalement étudiées. Elles n'affectent que la membrane plasmique des cellules. Les impulsions nanosecondes de fort niveau de champ (de l'ordre de quelques MV/m) ouvrent la voie vers la manipulation des organelles intra-cellulaires. En outre, elles constituent un nouvel outil pour l'étude des mécanismes de la perméabilisation. Les travaux de cette thèse ont été principalement consacrés aux effets des impulsions de 10 ns sur la membrane plasmique. Des protocoles expérimentaux permettant d'appliquer de façon reproductible et contrôlée les impulsions sur des objets vivants ont été définis. Des moyens de mesure (D-dot et B-dot) adaptés aux hautes tensions et hautes fréquences ont été développés et mis en œuvre, permettant un contrôle en temps réel des impulsions délivrées.Différentes approches ont permis de mettre en évidence la perméabilisation des cellules par des impulsions de 10 ns. Ces techniques regroupent notamment le suivi de bio-impédance dans les tissus et l'internalisation de molécules cytotoxiques non perméantes dans des cellules en suspension et in vivo sur des tumeurs. Les expériences conduites ont permis de mettre en évidence la plus grande efficacité des basses fréquences de répétition dans la perméabilisation d'un tissu végétal (la pomme de terre). De plus l'influence de la conductivité du milieu extracellulaire sur le niveau de perméabilisation a été investiguée. Ces expériences ont permis de mettre en évidence l'importance de la dynamique d'établissement et de relaxation de la différence de potentiel transmembranaire dans l'efficacité de la perméabilisation.Enfin un microscope CARS (Coherent Anti-stokes Raman Scattering) plein-champ a été développé. Sa conception a été pensée en vue de l'étude des effets des impulsions ultra-courtes sur le vivant à l'échelle moléculaire. A ce jour il permet d'obtenir des images de cellules en CARS en 3 ns.