Caractérisation Physique et Chimique pour le Vivant Sébastien Incerti Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux - Gradignan IN2P3/CNRS Université Bordeaux 1 33175 Gradignan E-mail : incerti@cenbg.in2p3.fr représentant les équipes du LPC Clermont, du CENBG, de l’IPN-Lyon et de l’IPN-Orsay Journées de prospective IN2P3-DAPNIA La Colle sur Loup 15 Octobre 2004

Des thèmes de recherche transversaux 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 Application de techniques issues de la Physique Nucléaire à la caractérisation de systèmes biologiques, en collaboration avec des biologistes, des chimistes et des médecins. Techniques : imagerie, analyse chimique élémentaire et irradiation locale à l’échelle micrométrique. la biologie, la santé et l’environnement de la recherche fondamentale à la valorisation industrielle Des domaines de recherche pluridisciplinaires à large spectre 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

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 ● Les bio-matériaux équipe 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 cellule équipe Interface Physique-Biologie du CENBG (Ph. Moretto et al.) ● 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.)

Substituts osseux, revêtements prothétiques 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.) LURE : Laboratoire National de production et d'exploitation du rayonnement synchrotron

Les bio-matériaux : perspectives ● 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. LMI : Laboratoire des Matériaux Inorganiques

2 - L’exposition environnementale Exploration chimique du milieu vivant pour étudier l’exposition environnementale à des nanoparticules et métaux 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)

Interdisciplinaires des Faisceaux Ioniques en Région Aquitaine Septembre 2005 : le pôle aquitain AIFIRA Applications Interdisciplinaires des Faisceaux Ioniques en Région Aquitaine

Un nouvel accélérateur au CENBG 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 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) 

j Cinq lignes de faisceau Nanofaisceau Microfaisceau (actuel) Charpa 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 j Ligne de Physique Production de neutrons Faisceau extrait Analyse à l’air de gros volume Echantillons archéologiques

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 solides directement à partir de l’échantillon de sol pour s’affranchir 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 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 LPPM : laboratoire de photophysique moléculaire LAC : laboratoire Aimé Cotton IBBMC : INSTITUT de BIOCHIMIE et de BIOPHYSIQUE MOLECULAIRE et CELLULAIRE

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 implantation locale 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.

L’échelle nanométrique 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) 2004 2010 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) 5 + 1 IR (3 DR + 2CR) (1T + 1 PostDocs) Permanents 2 4 2 + 1 IR Bio-matériaux … Exposition c. Bio-molécules 13 11 … 9

Conclusion Tout comme la recherche la plus fondamentale, 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, elle contribue au rayonnement de notre département scientifique

Trois événements majeurs 4 - 5 Novembre 2004 au CENBG Journées de prospective AIFIRA http://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://geant4.in2p3.fr geant4-2005@cenbg.in2p3.fr Automne 2005 au CENBG : inauguration du pôle AIFIRA

Merci pour votre attention

MILDI appliqué à une coupe de cerveau de rat Mode réflectron Mode linéaire Pour finir un exemple de ce qui peut être obtenu par les méthodes développées ces 2 dernières années en collaboration avec Ionwerks (spectrométrie par temps de vol), le labo des endotoxines IBBMC et un labo du N.I.H de Boston. Le Mildi correspond à Matrix Implanted Laser Desorption Ionisation qui couple l’implantation d’agrégats de 400 atomes d’or dans les 10 premiers nanomètres de la surface biologique ce qui permet l’analyse moléculaire avec un faisceau laser. Dans ce cas, le résultat présenté correspond à l’analyse moléculaire de fine tranches de cerveau de rat pour localiser des molécules actives: lipopolysaccharides (sucres) et histones.