La peau est un organe qui enveloppe le corps, elle est une barrière naturelle importante et efficace contre différents envahisseurs. Pour le traitement des maladies dermatologiques ainsi que dans l'industrie cosmétique, les applications topiques sur la peau sont largement utilisées. Ainsi beaucoup d'efforts ont été investis dans la recherche sur la peau visant à comprendre l'absorption moléculaire et les mécanismes rendant efficace la pénétration. Cependant, il reste difficile d'obtenir une visualisation 3D de haute résolution combinée à une information chimique- ment spécifique et quantitative dans la recherche sur la peau. La spectroscopie et la microscopie non-linéaire, incluant la fluorescence excitée à 2-photon (TPEF), la diffusion Raman spontanée, la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) et la diffusion Raman stimulée (SRS), sont introduits dans ce travail pour l'identification sans ambiguïté de la morphologique de la peau et la détection de molécules appliquées de façon topique. Plusieurs méthodes quantitatives basées sur la spectroscopie et la microscopie non-linéaire sont proposées pour l'analyse chimique en3D sur la peau artificielle, ex vivo et in vivo sur la peau humaine. De plus, afin de s'adapter aux applications cliniques à venir, un design endoscopique est étudié pour permettre l'imagerie non-linéaires dans les endoscopes flexibles. / Skin is an organ that envelops the entire body, acts as a pivotal, efficient natural barrier to- wards various invaders. For the treatment of major dermatological diseases and in the cosmetic industry, topical applications on skin are widely used, thus many efforts in skin research have been aimed at understanding detailed molecular absorption and efficient penetration mechanisms. However, it remains difficult to obtain high-resolution visualization in 3D together with chemical selectivity and quantification in skin research. Nonlinear spectroscopy and microscopy, including two-photon excited fluorescence (TPEF), spontaneous Raman scattering, coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and stimulated Raman scattering (SRS), are introduced in this work for unambiguous skin morphological identification and topical applied molecules detection. Sev- eral quantitative methods based on nonlinear spectroscopy and microscopy are designed for 3D chemical analysis in reconstructed skin, ex vivo and in vivo on human skin. Furthermore, to adapt to forthcoming clinical applications, an endoscopic design is investigated to bring nonlin- ear imaging in flexible endoscopes.

Nous avons développé une méthodologie basée sur phénomène de mélange à quatre ondre polarimétrique « Four wave Mixing FWM » et son équivalen résonant la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) polarimétrique et réalisé des mesures sur des systèmes cristallins, simili biologiques : les membranes cellulaires connues sous le nom de « Multilamellar Vesicles MLV » et des échantillons de biologiques : la myeline, et ce, en variant les polarisations des lasers excitateurs, Pompe et Stokes. Le signal anti-Stokes émis est ensuite analysé afin d’en extraire les ordres 2 et 4 de la fonction de distribution angulaire des molécules actives constituant l’échantillon. Pour cela, plusieurs approches sont explorées telles que des algorithmes d’optimisation ou par décomposition en série de fourrier du signal polarimétrique. Ces multiples approches en traitement du signal permettent d’obtenir de manière rapide les coefficients des fonctions de distribution angulaire recherchées, et ainsi d’avoir des informations sur la symétrie des échantillons imagés, allant jusqu’à l’observation d’une symétrie d’ordre 4. La capacité de la microscopie non linéaire résolue en polarisation à sonder des ordres moléculaires est clairement démontrée et ainsi son intérêt dans l’étude de la relation entre la structure et la fonction de systèmes biologiques. / The capacity to quantify molecular orientational order in tissues is of a great interest since pathologies (skin lesion, neurodegenerative diseases, etc) can induce strong modifications in proteins’ organization. While numerous studies have been undertaken using polarization resolved second order nonlinear optical microscopy which is only specific to non-centrosymmetric organizations, higher order effects have been less explored. Four-wave mixing (FWM) microscopy and its resonant counterpart coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) can be of a great utility as label free diagnosis tools benefiting from less constraining symmetry rules. In this work, we implement incident polarizations tuning in FWM and CARS microscopy to probe molecular order, using a generic method to read-out symmetry information.Fourier analysis of the polarization-resolved FWM/CARS signal processed with an analytical model provides a fast and direct determination of the symmetry orders of the distribution function of the probed molecules. This method does not require a priori knowledge of the organization structure and provides quantitatively its second and fourth order symmetries. We applied this technique on different systems, from crystalline to less organized (multilamellar vesicles and proteins aggregates). We show that this new approach brings additional and more refined information on supra-molecular structures in complex media.