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Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient ...

Du champagne supersonique

Physique du bouchon de champagne

Tout le monde le sait, lorsqu’une bouteille de champagne est débouchée, le bouchon est souvent violemment propulsé… ce qui peut être dangereux s’il percute l’œil. La raison pour laquelle le bouchon saute à environ 50 km/h vient ...

Le matériau le plus noir du monde

Si vous pensiez qu’obtenir un noir intense était chose facile, vous vous trompiez. Depuis de nombreuses années, artistes et scientifiques cherchent la formule du véritable noir, ou du moins à s'en approcher. Par noir véritable, entendez une surface qui ne renverrait aucun rayon lumineux. Actuellement, ...

Organes sur puce, vers un futur bionique ?

Imaginez une puce tenant dans la main qui renfermerait un micro-poumon ? Science fiction ? Fantasme de savant fou ? Absolument pas, il s'agit de choses bien réelles et déjà brevetées ! Apparus courant 2010, les organes sur puce visent à reproduire le fonctionnement de certains organes dans des conditions expérimentales choisies.

Des débuts prometteurs

C'est une équipe de Boston, qui la première a mis au point le premier véritable organe sur puce. Il s'agissait d'un dispositif faisant intervenir la technologie microfluidique. « Visuellement, les organes sur puce ressemblent à des dominos » explique Xavier Gidrol, chef de service au CEA-Irig de Grenoble. Domino dans lequel des micro-canaux transportant de l'air et du liquide proche du sang sont séparés par une couche de cellule endothéliale et épithéliale pulmonaire, mimant la paroi alvéolaire d'un poumon. Cette paroi, et c'est la vraie révolution qu'a apportée l'équipe bostonienne, peut s'étirer en rythme, comme lors de la respiration. Ainsi, ce dispositif permet de mimer à la perfection la fonction de l'organe pulmonaire.

Depuis le premier "poumon sur puce", de nombreux chercheurs se sont penchés sur le sujet, recréant les fonctions de nombreux organes sur des puces en polydiméthylsiloxane (un polymère). À la différence des organoïdes (mini-organes produits à partir de cellules souches), les organes sur puce miment la fonction d'un organe tandis que les autres ont pour vocation de répliquer les organes. Les deux technologies peuvent sembler proches, mais n'impliquent pas les mêmes techniques. Les organoïdes sont cultivés en milieu de culture à partir de cellules souches pluripotentes. Ces cellules se différencient progressivement et s'organisent selon les lois qui les régissent pour former des mini-organes. Dans le cas des organoïdes il s'agit d'auto-organisation tandis que pour les organes sur puce le développement est contrôlé et chaque cellule est placée sciemment.

Une révolution pour l'industrie pharmaceutique

La première application des organes sur puce se situe dans la recherche pharmacologique. Cette technologie pourrait permettre à long terme de se passer des essais réalisés sur les animaux. En plus de l'aspect éthique, l'expérimentation animale possède de nombreuses limites. "Cela fait des années que nous savons soigner le cancer chez la souris alors que nous tâtonnons encore pour l'homme", souligne Mr Gidrol. En effet, l'action d'un médicament peut être très différente lorsqu'on l'administre à une souris ou à un homme. Avec les puces, les cellules utilisées sont d'origine humaine, l'effet des médicaments est donc beaucoup mieux évalué. Par exemple, pour tester l'effet d'un traitement de la mucoviscidose, il suffirait de prendre les cellules pulmonaires d'un patient et de recréer le poumon malade sur puce, puis de tester la substance médicamenteuse. Sur le long terme, les traitements pourraient être personnalisés grâce à cette technique.

Depuis ces premiers pas, l'organe sur puce a beaucoup évolué et les financements suivent cette évolution, ce qui permet à de nombreuses équipes de recherche dans le monde de se concentrer sur la question.

Une technique pleine d'avenir :

Dans le domaine, deux nouveaux axes de recherche sont apparus. L'un représenté par les équipes du CEA de Grenoble, qui cherchent à développer des organoïdes sur puces et l'autre par certains chercheurs aux États-Unis qui essayent de connecter plusieurs organes sur puce entre eux, afin d'obtenir un « corps entier » sur puce (Body on a chip). Le but étant pour les deux axes de se rapprocher le plus possible d'une copie réaliste d'organes. « Le Graal serait de se rapprocher le plus possible du vivant, pour avoir l'organe sur la paillasse » indique Xavier Gidrol, qui travaille sur un organoïde de foie et plus précisément sur des îlots de Langerhans sur puce. À l'avenir, cela permettrait de mieux comprendre le fonctionnement et le développement des organes.

À l'avenir, cette technologie pourrait révolutionner la médecine régénératrice, en greffant des organoïdes à des patients en attente d'une greffe (cela ne remplacerait pas la greffe). Par exemple des personnes atteintes d'un diabète de type I pourraient se voir greffer des îlot de Langerhans élevés sur puce, produisant de l'insuline normalement. Le but serait de restaurer la fonction de l'organe en attendant la greffe d'un organe fonctionnel.

 

Pour en savoir plus :

Article de science et vie : https://www.sciencesetavenir.fr/sante/e-sante/organes-artificiels-ces-puces-qui-miment-le-vivant_92753

Les défi du CEA, dossier : http://www.cea.fr/multimedia/Documents/publications/les-defis-du-cea/les-defis-du-CEA-238.pdf

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Radiographier les volcans grâce aux muons
En imagerie géophysique, la tomographie par muons cosmiques permet de comprendre la dynamique du système hydrothermal des volcans.

Flux de muons cosmiques

Dans le modèle standard de la physique des particules, les muons sont des particules élémentaires chargées parfois appelées « électrons lourds ». Produits par la collision entre une particule cosmique et un atome de gaz de la haute atmosphère terrestre, leur durée de vie moyenne est de 2,2 microsecondes. Depuis le ciel, dix mille muons par mètre carré et par minute se déversent sur nous. Très énergétiques, ces particules ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière, ce qui signifie qu'elles peuvent traverser plusieurs centaines de mètres de roche.

Installés en contrebas de l'objet d'étude, qui peut être une pyramide, un plateau karstique ou un volcan, les télescopes à muons détectent le flux de ces particules ayant traversé l'objet. Suivant la quantité de matière rencontrée, les flux provenant de différentes directions sont plus ou moins atténués. Mesurer cette atténuation permet de déduire la masse volumique des milieux, autrement dit leur densité. Avec plusieurs télescopes, cette tomographie muonique fournit des représentations en trois dimensions de l'intérieur des volcans.

Les six télescopes de la Soufrière

Sur le volcan de la Soufrière, large d'environ un kilomètre et situé au sud de l'île de Basse-Terre de Guadeloupe, six télescopes à muons sont aujourd'hui installés. La radiographie des entrailles de la structure géologique par cette technologie est développée depuis 2008, Le dernier télescope en date a été placé au nord du volcan, zone qui ne comportait pas encore de télescope à ce moment-là. La couverture angulaire permet ainsi une tomographie muonique en trois dimensions plus complète qu'auparavant, puisque le trou dans l'angle de vue nord est comblé.

Constitués de quatre plaques rectangulaires d'un mètre carré, les télescopes à muons ont besoin d'un temps d'exposition assez long pour accumuler des particules, de la même manière qu'un appareil photo ouvre son obturateur plus ou moins longtemps suivant le flux de lumière qu'il reçoit ou laisse passer. Sur le volcan de la Soufrière, leur résolution temporelle ne descend pas en-dessous d'une dizaine de jours pour former une image. Les informations qu'ils fournissent ne permettent donc pas en l'état de prévenir un événement soudain comme une éruption phréatique, mais se combinent avec des données issues d'autres techniques pour mieux comprendre ce qui se passe dans le volcan.

Mesurer l'activité hydrothermale du volcan

En analysant les contrastes de densité de matière et leurs variations au cours du temps, les télescopes apportent des informations sur la structure interne et la dynamique hydrothermale des volcans. Quel est le volume des réservoirs de vapeur ? Quelle énergie s'accumule dans les roches ? Quels effets ont les saisons des pluies sur l'état des nappes phréatiques autour du dôme ? À quels endroits la vapeur se forme et chasse l'eau liquide ? Comment évoluent les sources des fumerolles, ou les zones exposées à une activité phréatique ? Grâce l'étude du flux du muons, certaines certaines variations de 20% en trois semaines peuvent mettre en évidence des zones concernées par une arrivée brutale de vapeur.

Par exemple, à l'été 2014, les cinq télescopes de l'époque ont détecté la variation d'une masse de cinq cent mille tonnes de fluide. La tomographie muonique a permis l'observation en direct de la formation de poches de vapeur à l'intérieur du volcan, poches qui ont chassé l'eau liquide présente sous le cratère sud. Ces changements rapides à l'échelle géologique, c'est-à-dire en à peine quelques mois, ont pu être reliés à l'intensification du rejet de fumerolles par la Soufrière. Les données actuelles montrent que les mouvements de vapeur du volcan sont aujourd'hui très dynamiques sur son quart sud-est, un endroit donc exposé à une éventuelle activité phréatique. Depuis deux ou trois années, le nord-est du volcan est de plus en plus concerné, une intensification de l'activité hydrothermale dans cette zone qui se traduit par le dépérissement de la végétation du fait de l'extension des zones fumerolliennes vers le nord du volcan.

Détecter et comprendre les flux de particules

En plus de porter le nombre de télescopes muoniques à six, la qualité des instruments a été améliorée. Les matrices de détection ont divisé par deux la taille de leurs pixels, passant à une résolution de dix mètres. Avec quatre ordinateurs par télescope, l'informatique a un impact sur la consommation énergétique du système. Pour chaque télescope, le principal ordinateur de quarante watts a été remplacé par un ordinateur miniature de vingt-cinq watts. Diminuer la quantité de panneaux solaires nécessaire simplifie la quantité de matériel à installer et entretenir autour du télescope.

Afin de mieux analyser où se cache l'information pertinente dans les signaux, les algorithmes de traitement et les méthodes d'analyse des données évoluent également. Des modélisations visent à corriger l'influence de deux fluons de muons parasites. À cause des grands volumes d'atmosphère présents en contrebas des télescopes, placés au flanc du volcan, de rares muons produits en basse altitude remontent et pénètrent les télescopes par l'arrière, selon la même direction. De plus, des muons de très basse énergie peuvent dévier de leur trajectoire dès les premiers mètres du volcans, étant alors détectés par les télescopes sans avoir traversé la structure géologique. Ce flux de muons diffus ne fait varier les résultats que de quelques dix pour cents, sans même modifier les contrastes de densité qui intéressent les géophysiciens. Comme il est constant, les modélisations en cours de finalisation permettront de corriger cet effet a posteriori sur l'ensemble des données.

Article réalisé à partir d'un entretien avec Dominique Gibert, géophysicien, de l'Observatoire des sciences de l'université de Rennes.

Publié le 29 juin 2017

En savoir plus

Des particules cosmiques pour ausculter les volcans, sur CNRS Le Journal

Un documentaire sur le projet Diaphane au volcan de la Soufrière, en Guadeloupe

Arthur Jeannot
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