Study of plasma membrane permeabilization by terahertz spectroscopy : photodynamic therapy and trypsin proteolysis
Etude de la perméabilisation de la membrane plasmique par spectroscopie térahertz : thérapie photodynamique et protéolyse de la trypsine
Résumé
Terahertz refers to the frequency range between 0.1 and 10 THz, between the infrared and radio wave domains. Terahertz waves are highly sensitive to water and its changing configurations, induced in particular by the presence of solutes. Benefiting from recent technological developments, the terahertz region of the electromagnetic spectrum offers significant potential in the field of biology, and in our case, the biomedical field.Methods enabling real-time monitoring of molecular exchanges across the membrane of living cells are still rare.Our group has developed a routine setup combining terahertz waves with an attenuated total reflection (ATR) configuration. This device enables us to obtain real-time information and quantify exchanges between cell membranes induced by permeabilization of the plasma membrane of epithelial cells.There are three main axes to this thesis. The first concerns the characterization and technological development of the terahertz device. This has enabled us to improve measurement repeatability and stability. The second is the study of permeabilization induced by photodynamic therapy, a treatment for certain types of cancers. This study was carried out in collaboration with a team of biologists and chemists from the Softmat laboratory in Toulouse. A constant comparison of plasma membrane integrity assessment with the terahertz device and with standard biological techniques is carried out. The terahertz device, combined with these biological methods, has shown an increase in the efficacy of photodynamic therapy when photosensitizers are encapsulated by micellar nanovectors. Other types of nanovectors were then studied. Biological and terahertz results show that, depending on the type of nanovector, plasma membrane permeabilization dynamics differ. Finally, the third area of focus was the study of permeabilization induced by proteolysis of trypsin, an enzyme used in cell culture to detach cells from their substrate. The study of this process using the terahertz device, combined with a multilayer model, with confocal imaging and fluorescence, has shown that this everyday procedure in cell culture induces exchanges of small molecules across the plasma membrane.
Le térahertz désigne la zone de fréquence entre 0.1 et 10 THz, entre les domaines de l’infrarouge et des ondes radios. Les ondes térahertz présentent une forte sensibilité à l’eau et à ses changements de configurations, induits notamment par la présence de solutés. Bénéficiant des récents développements technologiques, la région térahertz du spectre électromagnétique offre un potentiel important dans le domaine de la biologie, et dans notre cas, du domaine biomédical.Les méthodes permettant de suivre en temps réel les échanges moléculaires à travers la membrane des cellules vivantes sont encore rares.Notre groupe a développé un montage de routine combinant les ondes térahertz avec une configuration en réflexion totale atténuée (ATR). Ce dispositif permet d'obtenir des informations en temps réel et de quantifier les échanges entre les membranes cellulaires induits par la perméabilisation de la membrane plasmique des cellules épithéliales.Il y a trois axes principaux à ce travail de thèse. Le premier concerne la caractérisation et le développement technologique du dispositif térahertz. Cela a permis d’améliorer la répétabilité et la stabilité des mesures. Le second axe est l’étude de la perméabilisation induite par la thérapie photodynamique, un traitement contre certains types de cancers. Cette étude s’est faite en collaboration avec une équipe de biologistes et de chimistes du laboratoire Softmat à Toulouse. Une comparaison constante de l'évaluation de l'intégrité de la membrane plasmique avec le dispositif térahertz et avec les techniques biologiques standard est effectuée. Le dispositif térahertz, combiné à ces méthodes biologiques, a montré une augmentation de l’efficacité de la thérapie photodynamique lorsque les photosensibilisateurs sont encapsulés par des nanovecteurs micellaires. D’autres types de nanovecteurs ont ensuite été étudiés. Les résultats biologiques et térahertz montrent que selon le type de nanovecteur, les dynamiques de perméabilisation de la membrane plasmique sont différentes. Enfin, le troisième axe est l’étude de la perméabilisation induite par la protéolyse de la trypsine, enzyme utilisée en culture cellulaire pour détacher des cellules de leur substrat. L’étude de ce processus par le dispositif térahertz, combinée à un modèle multicouche, à de l'imagerie confocale et de la fluorescence, a montré que cette procédure quotidienne en culture cellulaire induit des échanges de petites molécules à travers la membrane plasmique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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