Ce travail de thèse s'inscrit dans une démarche visant à évaluer et améliorer les performances des moyens existants pour l'étude des interactions entre les champs électromagnétiques et le corps humain. Ces moyens sont les méthodes de caractérisation des propriétés électriques macroscopiques des milieux biologiques, et les méthodes numériques permettant de modéliser et de calculer les champs induits par des sources de rayonnements électromagnétiques dans le corps humain.<br />Une brève description des milieux biologiques permet d'abord de souligner les difficultés liées à leur caractérisation électrique. Les différentes méthodes de caractérisation existantes sont présentées en mettant en valeur leurs particularités dans les domaines fréquentiels où elles s'appliquent. Les valeurs de permittivité et de conductivité données dans la littérature sont présentées pour montrer leurs spécificités et le manque de connaissance sur leur précision. Une méthode de caractérisation classique par mesure d'impédance à 4 électrodes est ensuite étudiée en détail entre 10Hz et 10MHz. Le système de mesure réalisé est testé sur des solutions ioniques pour en établir des modèles complets prenant en compte les éléments pouvant affecter la précision des résultats. Ces modèles sont utilisés pour estimer l'erreur de mesure et pour optimiser la méthode de caractérisation à 10Hz et 10MHz.<br />Les différentes méthodes numériques permettant la modélisation des problèmes de calcul de champs induits dans le corps humain sont ensuite présentées. Les difficultés de la modélisation de l'exposition de l'homme aux champs électromagnétiques sont explicitées. Elles sont dues aux propriétés électriques et géométriques particulières du corps et à la diversité des sources de rayonnement. Les différentes formulations et conditions aux frontières du domaine de calcul spécifiquement applicables au problème sont détaillées. En utilisant la méthode des éléments finis et en supposant les propriétés électriques du corps connues, différents modèles (maillage, formulation, conditions aux frontières) sont enfin étudiés. Leurs performances sont évaluées sur des problèmes canoniques 2D et 3D représentatifs. Les résultats permettent d'évaluer l'erreur sur calcul des phénomènes induits et de faciliter le choix d'une modélisation adaptée sur la gamme de fréquence 10Hz-1GHz.<br />Le travail proposé vise principalement à donner des arguments pour justifier de la pertinence des résultats des études de l'interaction champs électromagnétiques/corps humain. Il peut aussi trouver des applications directes dans la caractérisation précise des milieux biologiques et dans l'établissement de nouvelles normes sur l'exposition des hommes aux champs électromagnétiques.

La bande de fréquences au voisinage de 60GHz (bande 57-64GHz) est en développement rapide pour les systèmes de communication sans fil à courte portée. Cependant, les rayonnements autour de 60GHz sont absents du spectre naturel et les organismes vivants n'y ont encore jamais été exposés dans les conditions environnementales. <br />Ce travail de thèse porte sur l'analyse des effets potentiels des rayonnements millimétriques de faible puissance au niveau cellulaire. Les études sont axées sur deux directions de recherche. Premièrement, nous avons considéré l'influence des ondes millimétriques à 60GHz sur la structure et les propriétés biophysiques des modèles artificiels des membranes biologiques. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence du rayonnement millimétrique autour de 60GHz sur les modifications de l'expression génétique des protéines chaperones dans les cellules gliales du cerveau humain.

Des études in vitro ont été menées pour évaluer les effets biologiques potentiels de deux types d'ondes radiofréquences. Dans une première partie, nous avons étudié les ondes radiofréquences (300 et 500 MHz) utilisées en imagerie médicale à haute résolution (IRM). Ces ondes sont en régime impulsionnel (de l'ordre de la milliseconde) et avec des puissances crêtes élevées (E= 1.8 kV/m). Toutefois, il n'existe actuellement aucune donnée dans la littérature sur l'impact biologique éventuel de ce type de signaux. Dans ce travail de thèse des cellules gliales humaines (U251 MG) en culture ont été exposées pendant 45 minutes, ou 2 heures, en condition athermique, et plusieurs analyses biologiques ont été réalisés : expression génique d'une batterie de gènes biomarqueurs du stress cellulaire et analyse par microscopie de l'intégrité cellulaire. Quel que soit le test utilisé, les résultats ont toujours été négatifs. Ceci montre qu'aucun stress cellulaire n'a eu lieu lors de l'exposition des cellules à une onde électromagnétique de 300 ou 500 MHz, de forte puissance crête. La seconde partie de ce travail de thèse porte sur l'évaluation des effets des ondes millimétriques (OMM) à 60,4 GHz, en cas de stress énergétique. Nous avons étudié l'impact de l'exposition aux OMM, en présence ou en absence de 2-déoxy-glucose, sur la production d'ATP, le potentiel redox (NADPH) et l'expression génique. Par une approche transcriptomique, nous avons observé qu' un traitement au 2-déoxy-glucose, induit une forte réponse cellulaire. La co-exposition aux OMM modifie faiblement cette réponse génique (4 gènes sur 523 semblent être différentiellement exprimés). Par contre, l'exposition est sans effet sur le potentiel redox ou sur la production d'ATP. / In vitro studies were conducted to evaluate the biological effects of two types of radiofrequency waves. In the first part, we studied the radiofrequency (300 and 500 MHz) used in medical imaging at high resolution (MRI). These radio waves are pulsed (millisecond) with strong peaks power (E = 1.8 kV/m). However, there is currently no data in the literature, on the potential biological impact of such signals. This thesis examines whether exposure to this type of signal, may or may not, trigger a cellular stress. Human glial cells (U251 MG) in culture were exposed for 45 minutes or 2 hours in athermal conditions, and several biological tests were performed: gene expression of stress biomarkers or cell integrity by Cellomics technology. Whatever the test used, no significant modification was observed between the control and the exposed cells. This strongly suggests that no cellular stress occurred during the exposure of cells to high peak power RF pulses. The second part of this thesis specifically examines the effect of millimeter waves (MMW) at 60.4 GHz in cells deprived from glucose. We investigated whether exposure to MMW, in the presence or absence of 2-deoxy-glucose has an effect on ATP production, redox potential (NADPH) and gene expression. We found no genes differentially expressed between the sham control and the exposed cells. In contrast, when cells are submitted to a metabolic stress (treated with 2dG), we found that MMW radiation significantly modifies the gene expression (4 genes out of 523 are differentially expressed). However, OMM exposure has no effect on the redox potential or ATP production.

Ce travail de thèse a consisté à synthétiser de nouveaux chélateurs pour la complexation des ions métalliques d10 toxiques en milieu biologique, comme le cuivre (I), lorsqu'il est présent en excès dans les cellules, et le mercure (II), délétère à l'état de traces. En particulier, des tripodes à trois soufres, inspirés de tripodes fonctionnalisés par trois dérivés cystéine, développés antérieurement au laboratoire, ont été élaborés et leur propriétés de complexation avec le cuivre (I) ont été examinées. Comme les tripodes cystéines, les nouveaux tripodes fonctionnalisés par d'autres dérivés soufrés, en particulier des dérivés de D-Pénicillamine (D-PEN), sont capables de complexer le cuivre (I) dans des environnements CuS3 avec de fortes affinités et sélectivités par rapport au zinc (II) présent dans les milieux biologiques. Des études structurales approfondies effectuées par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) ont permis de caractériser complètement les complexes et clusters de cuivre (I) formés, de corréler les mesures d'affinités effectuées en utilisant différentes techniques et de rationaliser les relations structure/ affinité observées. L'un des nouveaux tripodes a ensuite été fonctionnalisé pour être ciblé vers les cellules du foie, où une accumulation de cuivre est observée chez les patients atteints de la maladie de Wilson. Les premiers tests biologiques réalisés sur des cellules hépatiques ont montré que l'architecture fonctionnalisée ainsi conçue (CHEL4) est capable de complexer le cuivre (I) en excès in cellulo. Cette étude conforte les résultats obtenus antérieurement au laboratoire avec le tripode cystéine fonctionnalisé (CHEL2) et valide donc le système de vectorisation vers les hépatocytes. Les propriétés de complexation des nouveaux tripodes avec l'ion toxique mercure (II), plus gros et plus mou que l'ion cuivre (I), ont aussi été étudiées. Il a ainsi été établi que les nouveaux tripodes thiolates peuvent aussi stabiliser un environnement trigonal autour du mercure (II). Notre étude a donc montré comment des tripodes soufrés de faible poids moléculaire, judicieusement fonctionnalisés, peuvent accommoder des environnements trigonaux très stables autour des ions mous cuivre (I) et mercure (II). De tels environnements miment plus ou moins les sites trigonaux du cuivre (I) et du mercure (II) trouvés dans les protéines à cuivre (I) (Ctr1, Mac1, Ace 1, COX…), les protéines bactériennes de détoxification du mercure (II) (Mer-R), et les métallothionéines (MTs), petites protéines riches en cystéines qui complexent les ions métalliques en excès ou toxiques dans les cellules. Ces analogies avec les complexes métalliques biologiques permettent de rationnaliser les fortes affinités des nouveaux tripodes pour les ions mous cuivre (I) et mercure (II). Plus généralement, notre étude apporte des règles de design moléculaires pour concevoir des architectures efficaces dédiées à la détoxification des métaux mous en milieu biologiques. Mots clés : cuivre (I), zinc (II), mercure (II), maladie de Wilson, foie, surcharges métalliques, toxicité, chélateurs, tripodes soufrés, cystéine, D-pénicillamine (D-PEN), environnements trigonaux, protéines du cuivre (I), métallothionéines (MTs), Mer-R, Spectroscopie d'Absorption des rayons X (XAS). / This work consisted in the syntheses of new chelators for the binding of soft d10 metal ions in biological media, such as the copper (I) ion, toxic at high levels in the cells, and the mercury (II) ion, deleterious even at low concentrations. In particular, new suphur-based tripodal architectures, derived from the cysteine-based architectures previously designed at the laboratory, have been synthetized and their binding properties with the copper (I) ion have been looked into. As the cysteine-based scaffolds, the new chelators, based on new sulphur compounds, in particular D-Penicillamine (D-PEN) derivatives, complex the copper (I) ion in trigonal CuS3 environments with high affinities and high selectivities with respect to the bioavailable zinc (II) ion. In depth structural studies have been performed by X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS) to fully characterize the copper (I) complexes and the copper (I) clusters formed in solution, to correlate the affinity measurements performed using different analytical techniques and to rationalize structure/ affinity relationships. One of the new chelators has been functionalized to be targeted to the liver cells, where copper (I) overloads are observed when people suffer from the Wilson's disease. The first biological experiments carried out in hepatocytes, have shown that the functionalized chelator (CHEL4) complexes excess copper (I) in cellulo. This study supports the results previously obtained with the functionalized cysteine-based architecture (CHEL2) and thus validates the targeting system. The binding properties of the new tripodal architectures with the mercury (II) ion, bulkier and softer than the copper (I) ion, have also been studied. It has been established that the new chelators also stabilize trigonal environments around the mercury (II) ion. Thus this study has shown how low molecular weight sulphur-based tripodal architectures, judiciously functionalized, are able to adapt stable sulphur-only trigonal environments around the soft metal ions, copper (I) and mercury (II). Such environments reproduce more or less the trigonal binding sites found in copper (I) proteins (Crt1, Mac1, Ace1, COX…), bacteria proteins dedicated to mercury (II) detoxification (Mer-R) and metallothioneins (MTs), which are small cysteine-rich proteins in charge of the detoxification of toxic metal ions in cells. Those structural analogies shared with the biological metallic complexes allow us to rationalize the high affinities of the new tripodal architectures for soft metal ions. In a more extended point of view, this study brings some guidelines of molecular design to elaborate efficient chelators dedicated to the detoxification of soft metal ion in biological media. Keywords: copper (I), zinc (II), mercury (II), Wilson's disease, liver, metal overloads, toxicity, chelators, sulphur-based tripods, cysteine, D-penicillamine (D-PEN), trigonal environments, copper (I) proteins, metallothioneins, Mer-R, X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS).