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Submitted on 1 Jan 1987
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APPLICATIONS DES LASERS EN BIOLOGIE MEDICALE
J.-C. Healy
To cite this version:
J.-C. Healy. APPLICATIONS DES LASERS EN BIOLOGIE MEDICALE. Journal de Physique
Colloques, 1987, 48 (C7), pp.C7-265-C7-269. �10.1051/jphyscol:1987759�. �jpa-00227063�
Colloque C7, supplément au n°12. Tome 48, décembre 1987 C7-265
APPLICATIONS DES LASERS EN BIOLOGIE MEDICALE
J.-C. HEALY
Laboratoire de Biophysique et d'Informatique Médicale, Faculté de Médecine, 15, Rue Rmbroise Paré, F-42100 Saint-Etienne, France
RESUME :
Une revue des principales applications actuelles.des lasers en biologie et en médecine est présentée. Actuellement les lasers ultrarapides sont employés à l'étude des cinétiques de réaction et les données obtenues constituent la base pour le contrôle de ces processus. En pratique, les lasers ne sont pas très employés sauf en analyse cellulaire par fluoriraétrie ou diffractométrie. D'un autre côté les nouvelles techniques de stockage d'images numériques employant des lasers et des disques optiques numériques constituent un progrès significatif en imagerie médicale et ouvrent la voie au vase champ d'analyse automatique d'images.
SUMHASY :
A review of the main actual applications of the laser beams in biology and medicine is presented. To day, in research the ultrarapid lasers are employed to study the cinetics of reactions (10** -9 sec) and the data obtained are the basement of new control process. In clinical practice the laser beams are not very used excepted in cellular analysis (fluorimetry, diffractometry). On an other hand the new technics of storage of numerical images using laser beams and CD ROM are a significant progress in medical imaging and open a very large space for automatic image analysis.
Les applications biologiques et médicales des lasers sont largement dépen- dantes des développements technologiques. Depuis 1960 et les premières générations de sources laser, la panoplie des longueurs d'ondes, des puissances et des temps n'a cessé de s'étoffer. A part le secteur de recherche (laser de puissance, laser de courte longueur d'onde ou laser à impulsion de durée très brève, nano voire femtoseconde), on dispose actuellement pratiquement de toutes les sources désirables. La plupart de ces sources sont commercialisées et une étude récente en fait le recensement.(2)
Ces limitation technologiques étant désormais dépassées, on pourrait concevoir de multiples applications et on est d'emblée frappé par le contraste entre la pro- lifération et le succès des applications thérapeutiques des lasers et, sommes toutes, la faiblesse actuelle des applications biologiques.
Cette situation est néanmoins compréhensible et devrait prochainement évoluer, au moins dans certains domaines, étant entendu que par rapport aux autres champs d'applications de la physique (physique des gaz, physique du solide), seules les applications à la physique des liquides sont envisageables.
1 - APPLICATIONS BIOLOGIQUES POTENTIELLES DES LASERS
- Théoriquement l'excellent résolution en longueur d'onde, la puissance, la directivité et maintenant des prix de revient modérés, constituent des atouts idéals pour la spectrométrie, la diffusion Rayleigh, la spectroscopie Raman, les études de fluorescence, la spectroscopie picoseconde e t c . .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987759
JOURNAL DE PHYSIQUE
Au niveau des laboratoires, les sources lasers auraient pu supplanter les sources classiques voire faire développer des gammes d'appareillages spécifiques utilisant notamment des effets non linéaires.
Il n'en a rien été et ce, pour plusieurs raisons : les techniques optiques classiques se sont révélées suffisantes en sensibilité et en spécificité pour les applications usuelles (dosages d'ions, de micromolécules, de médicaments, etc.) Quand les biologistes ont été confrontés à des problèmes plus difficiles de spéci- ficité (macromolécules) ou de sensibilité (10**-9 g/l pour les hormones) les efforts ont plus porté vers les réactifs que vers les appareillages. Sont ainsi nés les marqueurs de fluorescence, les marqueurs enzymatiques ou l'exploitation des tech- niques de polarisation de fluorescence utilisant toujours les sources usuelles traditionnelles. Simultanément des techniques enzymatiques (RIA), impédentielles (conductirnétrie) se sont développées avec des coOts d'investissement et de fonc- tionnement très bas qui les ont fait s'imposer.
Il demeure que les nouvelles sources (courtes longueurs d'onde, faible coOt, durée brève de l'impulsion, fréquence accordable), co'.stituent désormais des outils à même de supplanter les sources traditionnelles. Leur pénétration dépendra large- ment de l'aspect éco~oi.~ique.
2 - APPLICATIONS ACTUELLES
Les applications actuelles relèvent de trois domaines : biologie moléculaire, biologie cellulaire et imagerie médicale.
2.1 biologie moléculaire :
La plupart des macromolécules identifiées et purifi6es font l'objet d'études optiques systématiques avant que ne soit connue leur structure 3D par cristallo- graphie X.
C'est dans le donaine de l'étude dynamique des systèmes que les progrès sont les plus sensibles : les travaux pprtent non pas tant sur les états rotationnels ou vibrationnels dans différents environnements que surtout sur l'étudue du couplage des différentes molécules dans des syst&mes. Les récents travaux de photochimie utilisant des flash laser nanoseconde permettent ainsi de decortiquer les etapes cruciales de la photosynthèse. En effet, les sources usuelles avec des temps d'ex- position supérieurs aux tenps de vie des états excités, ne permettaient pas de saisir le transfert d'électrons d'une nolécule à une autre avant désexcitation.
Les impulsions de très courte période le permettent désornais. Les étapes de la photosynthèse chez les bactéries pourpres et chez les bactériochlorophylles ont ainsi été identifiées, ouvrant la voie à l'imense champ d'application de la maî- trise des processus de photosynth&se powc le stockage de lfénergie.(3, 6 , 9)
Dans le même esprit, et avec des techniques voisines utilisant toujours des inpulsions de très brève durée, sont étudiées les liaisons enzyae-substrat, les liaisons récepteur-ligand, la fixation de l'oxygène sur l'hénoglobine, etc...
On découvre ainsi que les étapes cruciales de ces clés du métabolisne surviennent pendant des durées extrêmement brèves de l'ordre de la nanoseconde (exemple : ouverture de la nolécule d'hénoglobiile pour permettre la pénétïation de la nolé- cule d'oxygène sur le noyau ~e++). (10, 11)
Après l'imnense étape statique, les lasers ouvrent la voie à une biologie dy~ar.iique dont on peut attendre certainenent des concepts fondamentaux sur la ré- gulation des systèmes biologiques.
Daris le domaine de la biologie appliquée à la recherche/développernt, l'étude des tenps de vie de fluorescence, de la polarisation de fluorescence, la spectroscopie Ranan sont courrement utilisées, par exezple pour étudier la fi- xation des protéines sur l'ADN, la nicroviscosité des nenbranes cellulaires, les stocks enzy~latiques intracellulaires, la détermination du nombre d'antigènes sur des neabranes cellulaires etc... Enfin dans le donaine de la biologie -lédicale de
dosage des médicaments de nacrornolécules spécifiques ont été assurées par le développement de réactifs nouveaux (anticorps monoclonaux, narqueurs de fluores- cence, marqueurs isotopiques) plus que par des appareillages nouveaux.
2.2biologie cellulaire :
Au niveau de la recherche ce sont les lasers de courte longueur d'onde qui constituent les progrès les plus notables : on envisage l'enploi de lasers 100 A pour obtenir des hologrames lasers de cellules vivantes ou des inages dynamiques de l'état des surfaces. Plusieurs années seront sans doute nécessaires pour atteindre ces résultats qui coastitueraient une percée décisivie par rapport aux techniques actuelles (nicroscopie électronique, cryodécapage, etc
...
) qui, pardéfinition, ne peuvent étudier que des objets déshydratés. ( 7 )
En biologie cellulaire, axe recherche/développement, les lasers sont en revanche d'ores et déjà présents dans les laboratoires. Les techniques de cytoflu- oronétrie ont constitué depuis dix ans un outil décisif d'étude de la distribution des propriétés optiques dans une population cellulaire, après marquage de ces cellules par un ou plusieurs marqueurs de fluorescence. Une excitation laser UV permet d'étudier une à une ces cellules marquées s'écoulant dans les capillaires.
Des systèmes nultilongueur d'onde permettent d'éditer des diagramaes multiparamé- triques, par exemple taille (par diffusion Rayleigh)/contenu en ADN ou taille/
stock enzymatique, etc..
.
Les applications de la cytofluorométrie ea flux continu soiït très larges : analyse des cycles cellulaires, identification de sous-populations de lynphocy- tes B et T ayaat des antigènes de surface différents, étude de la microviscosi-
&trie aenbranaire par polarisation de fluorescence, etc... Ces techniques en flux continu sont en conpétition avec les progrès récents de reconnaissance de formes. des cellules sous nicroscope couplé avec un analyseur d'iaages. Les pro- grès ont été récement plus rapides dans ce donairie d'acquisition et de traitement d'images que dans le développenent de nouveau:: narqueurs de fluorescence spécifi- que adaptés à la cytofluoroaétrie. Néannoins, cette dernière technique, qui peut être rendue préparative garde tous ses avantages et la disponibilité d-'appareils moi:~s onéreu;: que ceux encore actuellerient offerts devrait nettre cette technique au service de la plupart des laboratoires de biologie cellulaire. ( 4 , 5 , i ~ , i . 3 , : . 4 )
De très nonSreux autres appareillages utilisant des sources laser, ont été récenment développés en biologie cellulaire. Citons : (1)
le diffractonètre laser avec ananorphoseur à fibres optiques : les cellules s'écoulent une à une daas un micro-convergent-diverge* placé à l'une des focales d'ux quadrique réflecteur doiit la face interne a été traitée au rhodiun. Une source laser placée perpendiculairenent au flux éclaire les particules lors de leur passage daxs le micro-convergent-divergent.
Le diagrarme tridiaentionnel de diffusion est réfléchi sur le miroir du quadrique et les rayons paralleles éclairent la face antérieure d'un ana- norphoseur. Celui-ci est constitué par, à la face antérieure, une matrice 20 :: 20 de fibres optiques qui soat réparties, à la face postérieure,
à la périphérie d'un cercle. Derrière la face postérieure, uae pièce touïnaate comprenant uxe seule fibre optique vient, par rotation, successiveneat lire chacune des 400 fibres et éclaire la face antérieure d'un photoï~ultiplicateur. Cette configuration est universelle dans la nesure où elle pernet d'intégrer pratiquement en 3 Pi stéradian la diffu- sion, d'assurer une conversion 3i1/2D puis 2D/lD, d'obteiiir un excellent rapport signal/hruit grâce au pl-iotonul'ciplicateur, de perraettre de travail-
ler à plusieurs longueurs d'onde et erifin, de tolérer des djrilaaiques ten- porelles (fréquence dtéc!~a?tillonnage jusqu'à 100/sec.) et en puissance tout à fait vaste. Ce système a été utilisé pour étudier la cynétique de défornabilité des globules rouges dans un champ de contraintes.
JOURNAL DE PHYSIQUE
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les appareils de cytoélectrophorèse, soit à effet Doppler, soit à réseau,.
les différeitts systèaes d'étude de l'aggrégation et de la cynétique d'aggrégation des globules rouges et des plaquettes dont l'intérêt est ma- jeur en pathologie vasculaire (throrabose),.
les analyseurs de tenps de transit cellulaire : afin d'obtenir la distribu- tion des propriétés mécaniques des globules rouges défornables, on les fait passer un à un dans un pore de dianètre 5 'iicrons, inférieur à leur taille. Le tenps de transit dépend de la r:iéologie cellulaire. La mesure de ce tenps peut être réalisée par étude de la variation d1ir.1pédance cor.iplexe ou par étude de l'attéliuation d f u 3 faisceau laser traversant ce pore..
système Doppler d'étude des streariing cytoplasmiques.Dans le secteur de la biologie cellulaire, orientation routine (numération formule sanguine, comptage de cellules, etc
...
) des systèmes optiques classiques et impédantiels (coulter) tiennent le marché sans que les lasers se soient impo- sés.2.3 en ~magerie Médicale (radiologie, médecine nucléaire, RMN
...
), qui re-présente près des deux-tiers des dépenses d'examens complémentaires de biologie, les lasers ne sont bien entendu pas utilisés comme source de signal mais on est actuellement amené à pressentir que ces lasers puissent enfin résoudre le problème crucial encore non résolu de l'archivage et de l'exploitation de l'immense thésau- rus des images médicales. En effet, les supports papier, photographiques ou autres sont quasiment inexploitables à terme. Les supports magnétiques, plus récents, coûtent relativement cher et sont d'accès de fait limité pour de grandes séries.
Dans ce contexte, et alors que toute l'imagerie passe très rapidement au numérique, les solutions de type "disque optique numérique", de grande capacité ( 1 milliard d'octets) de temps d'accès très court, m6moire inscriptible et (bientôt) effaçable.
constituent enfin les solutions de choix. Des banques de données images numériques sont ainsi en cours de constitution et à même de permettre enfin le développement de véritables systèmes experts en traitement d'images. (8)
Les lasers interviennent là certes "par la petite porte" en tant que source banalisée de lecture/écriture de ces disques mais ce faisant, ils apportent un avantage absolument décisif à l'imagerie médicale dont le marché ne cesse de croî- tre.
CONCLUSION
Dans l'histoire de sciences, les applications des techniques physiques à la biologie et à la médecine ont toujours connu des aleas désynchronisés : les applications thérapeutiques des rayons X ont au départ été aussi importantes que les applications diagnostiques avant de céder le pas à ces dernières. Les ultra- sons ont connu une très importante expansion diagnostique avant de débuter réoemrnent des applications thérapeutiques (lithotripteur). Les lasers connaissent le même devenir : les applications thérapeutiques, cliniques, basées essentielle- ment sur l'effet thermique et plus modestement sur les effets photochimiques, auront largement dominé les vingt premières années d'exploitation. Dans le futur, l'étude de la dynamique des systèmes biologiques depuis les cinétiques de réaction jusqu'a l'étude de la mobilité cellulaire associée à l'autre extrémité aux
stockages d'images biologiques et médicales constituent les deux voies d'expansion considérable d'emploi de cet outil. Ces contributions ne sont pas modestes mais tout à fait irremplaçables dans la panoplie des outils biophysiques.
1 - FAURE B, SOLDAT G, HEALY J.C., MONIN J.
Diffractomètre laser Brevets 58-196-291 Brevets 58-196-292 2
-
GIRARDEAU-MONTAUT J.Pin Les lasers et leurs applications médicales édition médicale. Lavoisier. Paris 1987 3
-
GRATTON E. and Coll.Mutifrequency phase and modulation fluorometry Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 1984. 13. 105 4
-
GRAY J.W. and CollChromosomes classification and purification using flow cytometry and sorting Ann. Rev. Biophys. Chem. 1986. 15. 195
5 - GRAY J.W. and Coll
Display and analysis of flow cytometric data Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 1980. 9. 509 6
-
HUDSON B.New laser techniques for biophysical studies Ann. Rev. Biophys. Bioeng. 1977. 6. 1 3 5 7
-
JAEGLE P.Les lasers à rayons X
in La Recherche. 1987. 18. 16 8 - LAUB L.
C.D. ROM
in Soft et Micro. 1986. 24. 92 9
-
LESTER H.Physiological and pharmacological manipulations with light flashes Ann. Rev. of Biophys. Bioeng. 1982. 11. 151
10
-
MATHIS P.Les centres réactionnels photosynth6tiques in Revue du CEA. 1987. 5. 40
11
-
MIGUS A. and Coll Les lasers ultrarapides La Recherche. 1987. 18. 432 12-
MULLER S. and CollEtude par polarisation de fluorescence de populations leucocytaires I.T.B.M. 1987. 8. 3. 271
13 - RAHMANI-JOURDHEUIL D. and Coll
Correction by pentoxifylline of the abnormal fluorescence polarizations of erythrocyte membranes fron diabetic patients
Eur. J. Clin. Pharmacol. 1987. 31. 725 14
-
VIGO J. and CollMicrofluorimétrie quantitative en régirne pulsé sur cellules vivantes isolées I.T.B.M. 1987. 8. 3. 330
