Characterizing the antibody response at the single cell level with droplet microfluidics

par Carlos Castrillon

Thèse de doctorat en Physiologie et biologie des organismes - populations - interactions

Sous la direction de Andrew Griffiths et de Pierre Bruhns.

Soutenue le 14-09-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) et de Anticorps en thérapie et pathologie - Antibodies in Therapy and Pathology (laboratoire) .

Le président du jury était Sai Reddy.

Le jury était composé de Andrew Griffiths, Pierre Bruhns, Marion Espeli, Christophe Sirac, Marie Le Borgne, Jacques Fattaccioli.

Les rapporteurs étaient Marion Espeli, Christophe Sirac.

  • Titre traduit

    Caractérisation de la réponse anticorps à l’échelle de la cellule unique avec la microfluidique en gouttelettes


  • Résumé

    Les anticorps sont des protéines en forme de Y, trouvées comme composant du sérum circulant, qui aident le système immunitaire à cibler et à répondre aux agents pathogènes et aux molécules étrangères, mais peuvent aussi contribuer à la maladie en réagissant aux protéines constitutives. Les anticorps sont produits par des Plasmocytes, qui les sécrètent dans la circulation. Parce qu'il n'y a pas de lien physique entre les plasmocytes et leurs anticorps sécrétés, la détection d'anticorps spécifiques d’un antigène est problématique. Dans cette thèse, j'explore l'utilisation de la microfluidique en gouttelettes pour générer et manipuler des compartiments aqueux homogènes dans lesquels des cellules sécrétant anticorps peuvent être isolées et analysées à haut débit a'échelle d'une seule cellule. Pour caractériser les cellules sécrétant des anticorps à l'intérieur des gouttelettes, j'utilise un nouveau test qui permet d'interroger les cellules en fonction de la spécificité de leur sécrétion. Ces compartiments de gouttelettes peuvent être triés pour le séquençage d'anticorps, ou analysés au cours du temps pour obtenir des informations cinétiques de l'interaction anticorps-antigène à l'intérieur de chaque gouttelette. En utilisant une nouvelle technologie, j'ai pu obtenir le répertoire d'anticorps de souris immunisées contre deux antigènes différents à partir de cellules sécrétant des anticorps spécifiques d’un antigène, avec des capacités égales ou supérieures aux technologies disponibles actuelles. Aussi, j'ai pu suivre le processus de maturation d'affinité des anticorps à l'échelle de la cellule unique, à la fois dans l'immunisation et la maladie auto-immune. Avec ces outils, je démontre comment la microfluidique peut être utilisée pour caractériser les réponses immunitaires et auto-immunes à travers l'évaluation de cellules sécrétant des anticorps.


  • Résumé

    Antibodies are Y shaped proteins, found as a component of circulating serum, that help the immune system target and respond to pathogens and foreign molecules, but can also contribute to disease when reacting to constitutive self-proteins. Antibodies are produced Plasma Cells, which secrete them into circulation. Because there’s no physical link between Plasma Cells and their secreted antibodies, the detection of antigen-specific antibodies is problematic. In this thesis I explore the use of droplet microfluidics to generate and manipulate homogeneous aqueous compartments in which single antibody secreting cells can be isolated and analyzed in a high-throughput manner. To characterize single antibody secreting cells inside the droplets I use a novel assay that allows to interrogate cells based on the specificity of their secretion. These droplet compartments can be sorted for single cell antibody sequencing, or analyzed over time to obtain kinetic information of the antibody-antigen interaction inside each droplet. Using new established technology I was able to obtain the antibody repertoire of mice immunized against two different antigens from single antigen-specific antibody secreting cells, with equal or better capacities than current available technologies. Also, I was able to follow the affinity maturation process of antibodies at the single-cell level, both in immunization and autoimmune disease. With these tools I demonstrate how microfluidics can be used to characterize the immune and the autoimmune responses through the evaluation of single antibody secreting cells.

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