Interaction d'une onde de choc avec des cellules biologiques : étude des mécanismes de perméabilisation des membranes cellulaires

• Auteur / Autrice : Nabila Gaci
• Direction : Pierre Perrier, Jérôme Giordano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 04/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Elisa Budyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berthe, Julien Deschamps, Anne Patricia Alloncle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aldo Frezzotti, Martin Brouillette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Perméabilité

Organes cibles

Fluides

Biomécanique

Ondes de choc

Mots clés libres

Ondes de choc

Interfaces

Vésicules

Biomécanique

Transfection

Instabilité

Shock waves

Interfaces

Vesicles

Biomechanics

Transfection

Instability

Résumé

Les ondes de choc permettent la perméabilisation des membranes cellulaires et l’introduction de matériel génique dans les cellules. Elles sont donc un outil prometteur pour les applications médicales et la thérapie génique. Pour autant, les mécanismes conduisant à l’ouverture de pores membranaires lors de l’interaction onde de choc/cellule restent encore mal compris. Ce travail de thèse constitue une étude exploratoire des mécanismes impliqués dans la perméabilisation de la membrane cellulaire par onde de choc. La thèse repose sur l’hypothèse suivante : l’interaction d’une onde de choc avec l’interface (membrane lipidique) séparant le milieu interne de la cellule et le milieu environnant génère une instabilité de Richtmyer-Meshkov entraînant la déstabilisation de la bicouche lipidique. Le développement de cette instabilité entraîne un dépôt de vorticité sur la membrane qui génère un champ de contraintes de cisaillement. Dans cette thèse, en se basant sur l’hypothèse que nous venons d’émettre, nous développons un modèle analytique simplifié afin d’évaluer la contrainte de cisaillement. Pour valider notre modèle, nous avons développé des approches expérimentales pour caractériser et quantifier les effets des ondes de choc sur les membranes. Cette démarche comprend la caractérisation de dispositifs expérimentaux permettant la génération d’ondes de choc au moyen de lasers et un tube de choc. Les expériences sont réalisées sur des vésicules dont la membrane imite celle des cellules biologiques et nous permettent également de contrôler la variation de densité entre le milieu interne et externe à celles-ci

Shock waves induce cell membranes permeation allowing the uptake of genetic material into the cell, thus resulting in a promising tool for medical applications and gene therapy. However, the mechanisms underlying cell membrane pore formation during shock wave/cell interaction have not been reported so far. The present work is an explora- tory study of the mechanisms responsible of cell membrane permeation by shock waves. The central idea of the study relies on the following hypothesis : the interaction of a shock wave with the interface (lipid membrane) separating cell internal volume and the surrounding media generates a Ritchmeyer-Meshkov like instability leading to the destabilization of the membrane lipid bilayer. It causes a baroclinic generation of vorticity on the interface and generates shear stress. This results from the misalignment of the pressure gradient caused by the shock and the density gradient at the interface. We propose a simplified hydrodynamic model to evaluate the shear stress induced by the previously mentioned instability on the cell membrane. To validate our model, we developed methods to characterize and quantify the effect of the shock wave on biomembranes. This approach includes the design and the characterization of experimental devices that allowed the generation of shock waves through different sources : lasers and a shock tube. Shock wave experiments were carried out using giant unilamellar vesicles. They are micron-sized spherical lipid vesicles that mimic the cell membrane. Unlike biological cells, vesicles allow us to control the density variation between their inner and outer environment, which is a key parameter of our model