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1 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P3 2004 Caractérisation Physique et Chimique pour le Vivant Sébastien Incerti Journées de prospective IN2P3-DAPNIA.

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1 1 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Caractérisation Physique et Chimique pour le Vivant Sébastien Incerti Journées de prospective IN2P3-DAPNIA Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux - Gradignan IN2P3/CNRS Université Bordeaux Gradignan représentant les équipes du LPC Clermont, du CENBG, de lIPN-Lyon et de lIPN-Orsay Journées de prospective IN2P3-DAPNIA La Colle sur Loup 15 Octobre 2004

2 2 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P D es 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 lenvironnement de la recherche fondamentale à la valorisation industrielle Des domaines de recherche pluridisciplinaires à large spectre Savoir faire et compétences instrumentales à lIN2P3 et à lUniversité faisceaux dions et dagrégats : sources, transport, focalisation détection de particules Des atouts uniques Van de Graaff 2 MV de lIPNL Van de Graaff 3.5 MV du CENBG Tandem 15 MV à lIPNO Développés auprès daccélérateurs dions légers / polyatomiques Techniques : imagerie, analyse chimique élémentaire et irradiation locale à léchelle micrométrique.

3 3 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es axes de recherche Trois axes de recherche regroupent lensemble des activités Quatre groupes interdisciplinaires de lIN2P3 / Université Indépendants de programmes de recherche externes La caractérisation de bio-molécules pour la bactériologie, lexobiologie et lenvironnement - groupe Interaction Ion - Matière de lIPN Orsay (S. Della-Negra et al.) - groupe Collisions Atomiques dans les Solides de lIPN Lyon (M. Fallavier et al.) Les bio-matériaux équipe Physique Nucléaire appliquée aux bio-matériaux du LPC Clermont (E. Jallot et al.) Létude dexpositions environnementales à léchelle du tissu biologique et de la cellule équipe Interface Physique-Biologie du CENBG (Ph. Moretto et al.)

4 4 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es 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 dions : – Particle Induced X-ray Emission : dosage multi-élémentaire, Na – Rutherford Back Scattering : couches minces, interfaces, C Echelle nanométrique par faisceaux délectrons : – Scanning Transmission Electron Microscopy : morphologie – Energy Dispersive X-ray Scatter : profils de concentration - Etude localisée de lenvironnement chimique des éléments X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy : état doxydation atomique Electron Energy Loss Spectroscopy : composition (légers) Etude des structures fines près des seuils dionisation (ELNES) : liaison chimique

5 5 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es bio-matériaux : activités Etude des réactions physico-chimiques aux interfaces céramiques bioactives (bioverres, phosphates de calcium) / tissus vivants - Diffusion dions 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 déléments métalliques (Ti, Al, Co, Cr) à linterface 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 léquipe de physique théorique du LPC Clermont (J.F. Mathiot et al.)

6 6 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Caractérisation des interactions biocéramiques / fluides biologiques / cellules osseuses à léchelle micrométrique et nanométrique pour un contrôle fin de la bioactivité et du comportement en solution des biocéramiques cartographies chimiques de linterface à léchelle 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. L es bio-matériaux : perspectives

7 7 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Exploration chimique du milieu vivant pour étudier lexposition 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 : déléments traces essentiels à la vie (Mn, Fe, Cu, Zn...) dions inorganiques entrant dans la majorité des échanges ioniques (Na, P, S, Cl, K, Ca) de métaux cyto-toxiques (Cr, Co, Pb, Hg, Pt)

8 8 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L exposition environnementale Dermatologie et dermocosmétique : pénétration de métaux et nanoparticules à travers la barrière cutanée humaine ( ) - exposition chronique à des nanoparticules de TiO 2 employées massivement comme filtres physiques dans les crèmes solaires - divers modèles de peau et dépiderme reconstruits dans le but dune utilisation future dans le cadre détudes de pénétration - comparaison et validation dun épiderme commercialisé par une société privée dans le cadre dun 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 dévaluation clinique en dermocosmétique, Institut de recherche Pierre Fabre, Vigoulet-Auzil Oncologie : étude des modes dadministration dun anticancéreux à base de Pt - action dun vasoconstricteur (épinéphrine) pour diminuer le flux sanguin autour du tissu tumoral, retarder lélimination systémique de la drogue et augmenter la durée dexposition - méthode dinjection intrapéritonéale sous pression Collaboration groupe détude sur la résistance des cellules épithéliales aux médicaments cytotoxiques, CJF INSERM 94/08, Faculté de médecine de Dijon Toxicologie nucléaire et environnementale ( ) - programme inter-organismes CNRS-CEA-INSERM-INRA de Toxicologie Nucléaire Environnementale (Tox-NucE) pour coordonner un ensemble de programmes interdisciplinaires pour létude des effets radio- et chimio-toxiques des métaux et radioéléments sur le vivant (ex : transfert sol-plantes, voie alimentaire chez lhomme…) - études sur linternalisation de métaux et de particules solides (par ex., pour la décorporation) - développement de techniques danalyse chimique élémentaire en 2D et 3D à léchelle de la cellule individuelle Collaborations - programme européen PROCOPE avec lUniversité de Leipzig - A. Simionovici, ENS Lyon et R. Ortega, CNAB, CNRS-DSC et Université de Bordeaux 1 (Tox-NucE)

9 9 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P S eptembre 2005 : le pôle aquitain AIFIRA Applications Interdisciplinaires des Faisceaux Ioniques en Région Aquitaine

10 10 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P 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 ~ (Van de Graaff : ) Pas de parties mobiles Forte brillance Mesure après les fentes objet : 18 A.rad -2.m -2.eV -1 Haut flux : Production de neutrons Réactions nucléaires pour la caractérisation Intensité 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) U n nouvel accélérateur au CENBG

11 11 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Nanofaisceau Analyse haute résolution Tomographie Irradiation localisée Induction locale de charges Microfaisceau (actuel) Faisceau extrait radiobiologie Charpa Analyse en macrofaisceau et caractérisation Ligne automatisée Poussières atmosphériques Ligne de Physique Production de neutrons Faisceau extrait Analyse à lair de gros volume Echantillons archéologiques C inq lignes de faisceau

12 12 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P 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

13 13 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es bio-molécules Recherche plurisdisiplinaire : bactériologie, exobiologie et environnement basée sur lanalyse de surface par bombardement ionique associé à la spectrométrie de masse Recherche instrumentale – développement de sources dions poly-atomiques fournissant des fullerènes ou des agrégats dor (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 dénergie des projectiles poly-atomiques – mécanismes démission ionique secondaire (multiplicité, énergie, distributions angulaires) Unique au monde Moyens : sources dions + accélérateurs Van de Graaff (Lyon) et Tandem (Orsay)

14 14 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es bio-molécules : activités Environnement : lanalyse in-situ des polluants organiques et biologiques adsorbés sur solides directement à partir de léchantillon de sol pour saffranchir des pré-traitements Collaborations - 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 lUniversité Paris Sud Lanalyse déchantillons 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 : lévolution chimique et biologique en milieu extrême ou exobiologie Collaboration au sein de luniversité Paris Sud : IAS, LPPM, LAC, IPNO

15 15 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es bio-molécules : perspectives Deux objectifs améliorer la sensibilité de détection des ions moléculaires limagerie 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 lUniversité Paris Sud (SPM, DSC, IN2P3) – Source dions Electron Cyclotron Resonance & Liquid Metal Ion Source pour obtenir des micro-faisceaux dagrégats dans le domaine sub-micrométrique avec des agrégats dor plus lourds, des fullerènes et nano-tubes Collaboration avec Orsayphysics et Pantechnik

16 16 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L a coordination nationale et européenne Laboratoires nationaux disposant de techniques danalyse 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, linstitut 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 lUniversité Bordeaux 1, lInstitut de Biochimie, Biophysique Moléculaire et Cellulaire du CNRS, N.I.H) - en sciences de lenvironnement programme de toxicologie nucléaire environnementale inter-organismes ToxNucE CNRS-CEA-INSERM-INRA, Institut des Sciences Analytiques de lUniversité Lyon 1) - dans le domaine spatial : Institut dAstrophysique Spatiale Programmes de recherche européens et internationaux : réseau européen de dermatologie et de dermocosmétique NANODERM dans le cadre du 5 ème PCRD, financement bilatéral franco-germanique PROCOPE avec lUniversité de Leipzig, programme bilatéral franco-libanais CEDRE

17 17 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L es atouts de lIN2P3 et de lUniversité Expertise scientifique, technique et instrumentale accélérateurs dion 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 dexcellence en faisceaux dions AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux dIons en Région Aquitaine), fortement soutenu par lUniversité Bordeaux 1, la région Aquitaine, lIN2P3 et le DSC du CNRS. Cette culture de conduite de projets et lorganisation projet-services résultante favorise la collaboration avec dautres instituts et les entreprises privées Soutien du développement dune physique à linterface associée et forte implantation locale des laboratoires hors région parisienne leur permettent dacquérir une légitimité régionale contribuant à la visibilité de lIN2P3 en régions Les échanges interdisciplinaires se font systématiquement avec des laboratoires qui ne collaborent pas naturellement avec lInstitut (INSERM, hôpitaux, sciences du vivant du CNRS). Contribue au rayonnement de lInstitut dans des environnements non coutumiers = 63 publications dans des journaux à dominante Science de la Vie Echanges souvent soutenus par des programmes européens qui correspondent bien à lesprit des appels doffre favorisant linterdisciplinarité.

18 18 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P L e long terme Léchelle nanométrique Nouvel accélérateur dions légers AIFIRA équipé dune ligne nanosonde (automne 2005) Faisceaux dions polyatomiques TANCREDE Nanofaisceaux dagrégats dor

19 19 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P M oyens humains IN2P3 / Université (chercheurs) Permanents Jeunes 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) IR (3 DR + 2CR) 2 (1T + 1 PostDocs) 2004 Permanents IR 2010 Bio-matériaux Bio-molécules Exposition c … …

20 20 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Les activités interdisciplinaires de lIN2P3 et de lUniversité dans le domaine de la caractérisation physique et chimique du vivant font partie dune recherche finalisée. Cette recherche doit pouvoir revendiquer ses moyens comme toute ligne de recherche de lInstitut. LIN2P3 peut à son tour exploiter la visibilité vers le grand public dune recherche qui lui permet dassocier le nom de lInstitut aux grands programmes gouvernementaux (le Plan Cancer par exemple). Tout comme la recherche la plus fondamentale, elle contribue au rayonnement de notre département scientifique C onclusion

21 21 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P T rois événements majeurs Novembre 2004 au CENBG Journées de prospective AIFIRA Septembre 2005 au CENBG / Univ. Bordeaux 1 10 th 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) Automne 2005 au CENBG : inauguration du pôle AIFIRA

22 22 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Merci pour votre attention

23 23 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P3 2004

24 24 / 22 Journées de prospective DAPNIA – IN2P Mode réflectron Mode linéaire MILDI appliqué à une coupe de cerveau de rat


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