Conception d’un microsystème pour l’évaluation du passage de biomolécules à travers la barrière pulmonaire

Development of a microdevice for transport biomolecules assessment across pulmonary epithelial barrier

• Auteur / Autrice : Ludivine Bol
• Direction : Myriam Taverna, Isabelle Le Potier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 20/06/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Galien Paris-Saclay (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Elias Fattal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Taverna, Isabelle Le Potier, Elias Fattal, Bruno Le Pioufle, Olivier Tillement, Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Nicolas Moniotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Le Pioufle, Olivier Tillement

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport biologique

Biomolécules actives

Microtechniques

Poumon

Mots clés libres

Voie pulmonaire

Biomolécules

Microsystème

Épithélium pulmonaire

Tests de transport

Criblage

Électrophorèse capillaire

Pulmonary route

Biomolecules

Microdevice

Lung epithelium

Transport assays

Screening

Capillary electrophoresis

Résumé

La voie pulmonaire suscite un intérêt grandissant pour l’administration systémique des peptides et protéines thérapeutiques, aujourd’hui encore administrés essentiellement par voie parentérale. Un microsystème a été conçu pour permettre de faciliter et accélérer les études in vitro de criblage de différentes biomolécules actives et de sélectionner les formulations les plus adaptées à leur pénétration à travers l’épithélium pulmonaire, en vue de sélectionner les meilleurs candidats à une administration par voie pulmonaire. Organisé en deux configurations distinctes, ce microsystème permet dans un premier temps d’obtenir des barrières épithéliales pulmonaires polarisées et jointives (cellules Calu-3) en seulement 7 jours dans des micropuits de 1mm², sans avoir à renouveler le milieu nutritif ni avoir recours à un appareillage externe associé au microsystème. Grâce à la mise au point d’une technique simple de fabrication, des plateformes de culture contenant jusqu’à 12 micropuits en parallèle sont aujourd’hui fabriquées de manière standardisée. L’évaluation du passage de molécules est ensuite réalisée sous une deuxième configuration dédiée à la mesure de la perméabilité des barrières épithéliales cultivées en micropuits. La capacité de différents candidats (nanoparticules et biomolécules) à traverser l’épithélium pulmonaire a été étudiée. Le passage de nanoparticules de PLGA revêtues de chitosane ainsi que le passage de l’insuline ont été démontrés avec succès. Enfin, l’électrophorèse capillaire couplée à une détection par fluorescence induite par laser (EC-LIF), compatible avec les faibles volumes manipulés dans ce microsystème, a été exploitée pour la détection et la quantification de l’insuline après passage des barrières pulmonaires miniaturisées. A cette fin, l’insuline a soit été marquée par le FITC, soit complexée à un anticorps ou a un aptamère fluorescents. A l’heure actuelle, seule la méthode développée pour le marquage de l’insuline par le FITC est utilisable à des fins de quantification, mais le recours à un aptamère a montré des premiers résultats encourageants.

The pulmonary route is of increasing interest for the systemic administration of therapeutic proteins and peptides, still largely administered parenterally. A microdevice was designed to facilitate and accelerate the in vitro screening studies of various active biomolecules and to select the most suitable formulations for penetration through the lung epithelium, in order to select the best candidates for an administration via the lungs. Organized in two distinct configurations, this microdevice allows as a first step the culture of tight polarized bronchial epithelial barriers (Calu-3 cells) in 7 days in 1 mm² microwells, without the need for medium renewal or the use of an external apparatus. A simple manufacturing technique was developed and glass culture platforms containing 12 parallel microwells can be obtained in a standardized manner. The ability of molecules to cross the pulmonary barrier is then performed in the second configuration of the microdevice, which is dedicated to the permeability measurement of the tight epithelial Calu-3 barriers cultured in microwells. Among the different candidates studied (nanoparticules and biomolecules), the pulmonary barrier permeability regarding PLGA nanoparticules coated with chitosan and regarding insulin has been successfully demonstrated. Finally, capillary electrophoresis with laser induced-fluorescence (CE-LIF), a technique compatible with the low volumes handled in this microdevice, has been exploited for insulin detection and quantification after its transport across the miniaturized pulmonary barriers. To this end, insulin was either FITC-labeled or complexed with a fluorescent antibody or aptamer. Currently, only the derivatization method can be used for a quantification purpose, but the use of an aptamer to indirectly quantitate insulin has shown encouraging results.