Development of microtechnologies for the study of axonal guidance
Développement de microtechnologies pour l'étude du guidage axonal
Résumé
Axonal guidance is a very important process during brain development, allowing to give it its structure and organization. The neuroscience scientific community has a growing interest in it during the last years. Several tools belonging to the field of microtechnologies, microfluidics and micropatterning are of important help to study axonal guidance in vitro. They allow to confine neurons and their axons and to apply gradients of guidance molecules. During this thesis, my goal was to develop a system to study the effect of guidance molecules gradients on axonal guidance. For that, I tested several configurations of microfluidic devices, micropatterns and combinations of both.First, we used two approaches to isolate dissociated neurons axons from their somas. Our goal was to study the effect of the molecular environment on neurons growth cones, with a high throughput. The first approach consisted in growing neurons on different proteins patterns. It also allowed to show their capacity to adhere on these patterns. The second one consisted in seeding neurons in a microfluidic device in which, during their growth, axons are separated from somas by microchannels. Then we studied the effect, on the axons, of guidance molecules gradients. To begin, we measured the effect of two guidance molecules: ephrin and semaphorin, by culturing neurons in the presence of patterned gradients of these two molecules. After that, we studied another model where neurons are closer from their environment in vivo, explants growing on laminin patterns containing a gradient. To help the explant positioning, we polymerized hydrogels. Then, we put explants next to patterned gradients of ephrin. Finally, we tried to obtain a soluble gradient of guidance molecules, over a long period of time (days), closer to existing gradients in vivo. In that goal, we wanted to build a microfluidic device enabling the application of a soluble gradient of guidance molecules on neurons. To obtain a constant gradient, we also cultured neurons next to cells expressing netrin, another guidance molecule. Finally, we cultured dissociated neurons and glial cells to study their interactions.All these experiments did not allow to obtain a reliable device to study the effect of molecules on axons growth and guidance. Nevertheless, the configuration consisting in a coculture of neurons next to cells releasing netrin allows us to obtain promising preliminary results. We thus drew up a group of methods that will enable us to finalize the development of a system to study axonal guidance, functional and efficient.
Le guidage axonal est un processus très important dans le développement du cerveau, permettant de lui donner sa structure et son organisation. La communauté scientifique des neurosciences lui porte un intérêt grandissant ces dernières années. Plusieurs outils appartenant au domaine des microtechnologies, que sont la microfluidique et le micropatterning, sont d’une aide importante pour étudier le guidage axonal in vitro. Ils permettent de confiner les neurones et leurs axones et de leur appliquer des gradients de molécules de guidage. Lors de ce travail de thèse, j’ai voulu développer un système pour étudier l’effet de gradients de molécules de guidage sur le guidage axonal. J’ai pour cela testé plusieurs configurations de dispositifs microfluidiques, de micromotifs (micropatterns) et de combinaisons de ces derniers.Nous avons d’abord utilisé deux approches pour isoler les axones de neurones dissociés de leurs somas afin de pouvoir étudier, à haut débit, l’effet de l’environnement moléculaire sur les cônes de croissance des neurones. La première approche consistait à faire pousser des neurones sur des motifs (patterns) de différentes protéines. Elle a permis de montrer leur capacité d’adhésion spécifique sur ces motifs. La seconde consistait à ensemencer des neurones dans un dispositif microfluidique dans lequel, lors de leur pousse, les axones sont séparés des somas par des microcanaux. Nous avons ensuite étudié l’effet, sur les axones, de gradients de molécules de guidage. Pour commencer, nous avons mesuré l’effet de deux molécules de guidage : l’éphrine et la sémaphorine, en cultivant des neurones en présence de gradients patternés de ces deux molécules. Par la suite, nous avons étudié un autre modèle où les neurones sont plus proches de leur environnement in vivo, des explants poussant sur des motifs de laminine contenant un gradient. Pour aider au positionnement de l’explant, nous avons polymérisé des hydrogels. Ensuite, nous avons mis des explants à côté de gradients patternés d’éphrine. Enfin, nous avons cherché à obtenir un gradient soluble de molécules de guidage entretenu sur des temps longs, plus proche des gradients existant in vivo. Dans ce but, nous avons voulu fabriquer un dispositif microfluidique permettant d’appliquer un gradient soluble de molécules de guidage sur des neurones. Pour obtenir un gradient stable dans le temps, nous avons aussi cultivé des neurones à côté de cellules exprimant la nétrine, une autre molécule de guidage. Pour finir, nous avons cultivé des neurones et des glies dissociés pour étudier leurs interactions.L’ensemble de ces recherches n’a pas permis d’obtenir un dispositif fiable pour étudier l’effet de molécules sur la pousse et le guidage des axones. Néanmoins, la configuration consistant en une coculture de neurones à proximité de cellules relargant de la nétrine nous a permis d’obtenir des premiers résultats encourageants. Nous avons ainsi mis au point un ensemble de méthodes qui pourront nous permettre de finaliser le développement d’un système pour étudier le guidage axonal, fonctionnel et efficace.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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