Étude d’agrégats d’anticorps monoclonaux sous écoulement microfluidique

Study of monoclonal antibodies aggregates under microfluidics flow

• Auteur / Autrice : Charles Duchêne
• Direction : Anke Lindner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 13/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Hersen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anke Lindner, Hervé Tabuteau, Farzam Zoueshtiagh, Anne Le Goff, Claude Loverdo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Tabuteau, Farzam Zoueshtiagh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Tuyaux -- Incrustations

Microfluidique

Anticorps monoclonaux

Protéines -- Agrégation

Mots clés libres

Agrégats

Anticorps monoclonaux

Microfluidique

Colmatage

Déformation

Écoulement contrôlé

Aggregates

Monoclonal antibodies

Microfluidics

Clogging

Deformation

Controlled flow

Résumé

La formation d'agrégats d'anticorps monoclonaux en solution est difficile à empêcher. Même si la présence de gros agrégats est assez rare, leur existence peut avoir des effets dramatiques dans les systèmes d'injection, en menant à des situations de colmatage partiel ou total de la restriction dans ce dernier. Cela entraîne une injection mal contrôlée ou même une obstruction totale du système d'injection. Très peu est connu sur le rôle de la taille des agrégats et de la pression appliquée sur de tels évènements de colmatage. Dans cette thèse, nous présentons un système microfluidique modèle, imitant les systèmes médicaux d'injection afin de comprendre fondamentalement le colmatage de restrictions d'une taille donnée. Des solutions très concentrées en anticorps monoclonaux nous permettent de créer des agrégats de protéines (plus grands que 50 micromètres) en utilisant un stress mécanique ou thermique. Nous montrerons que le colmatage a lieu quand les agrégats atteignent la taille de la restriction et peut dans certains cas être défait en augmentant la pression appliquée. La possibilité observée d'éjecter des agrégats de la restriction via une augmentation en pression indique le rôle important de la déformabilité des agrégats de protéines, à ce jour complètement inexplorée. Nous réalisons des expériences systématiques pour différentes tailles relatives d'agrégats et de pressions appliquées, et nous mesurons le débit en sortie. Malgré leurs formes et densités différentes, nous pouvons prédire le nombre d'évènements de colmatage pour une taille donnée de restriction par des mesures utilisant le Flow Imaging Microscopy (MFI). De plus, notre système peut détecter l'occurrence de très gros agrégats (très rares) souvent non détectés par d'autres techniques. Avec un modèle mécanique simple, nous pouvons estimer pour la première fois un ordre de grandeur du module d'Young et un diamètre effectif de pores pour des agrégats d'anticorps monoclonaux. Nous avons également développé une autre expérience modèle dans un canal hyperbolique couplé avec un flow focusing afin d'observer la déformation d'agrégats sous écoulement élongationnel. Nous décrirons leur comportement en analysant leurs trajectoires qui sont pour la plupart d'entre eux du tumble et de l'alignement avec l'écoulement. De plus, nous développerons un modèle mécanique qui tient compte de la force de friction dans une expérience modèle contrôlée avec une solution polymérique de PEGDA. Nous étudierons ainsi le rôle d'une différence de pression minimale à appliquer pour remettre la particule en mouvement dans la restriction, et ainsi relier cela aux agrégats de protéines.

The formation of aggregates in solutions of monoclonal antibodies is difficult to prevent. Even if the occurrence of large aggregates is rather rare, their existence can have dramatic effects in injection devices, as they can lead to partial or total clogging of constrictions in the latter. This leads to badly controlled injection or even total obstruction of the device. Little is know on the role of aggregate size and applied pressure on such clogging events. In this thesis, we present a microfluidic model system, mimicking medical injection devices to gain fundamental understanding of the clogging of constrictions of given size. Highly concentrated solutions of monoclonal antibodies allow us to create protein aggregates (bigger than 50 micrometers) using mechanical or heat stress. We show that clogging occurs when aggregates reach the size of the constriction and can in some cases be undone by increasing the applied pressure. The observed possibility to eject aggregates from constrictions via an increase in pressure indicates the important role of protein aggregate deformability, so far completely unexplored. We perform systematic experiments for different relative aggregate size and the applied pressure, and measure the flow-rate. Despite their different shapes and density, we can predict the number of clogging events for a given constriction size by Flow Imaging Microscopy (MFI) measurements. In addition our device can detect the occurrence of very rare big aggregates often overlooked by other detection techniques. With a simple mechanical model where we neglected the friction, we could estimate for the first time an order of magnitude for the Young modulus and a porous diameter for monoclonal antibodies aggregates. We also develop another model experiment with an hyperbolic channel coupled with a flow focusing to observe deformation of the aggregates under extensional flow. We describe their behavior by analyzing their trajectories which are for most of them tumbling and alignment with the flow. Moreover, we develop a mechanical model which took into account the friction force in a controlled model experiment with polymeric solution. We thus investigate the role of a minimal applied pressure to generate the particle movement into the constriction, and then link it with protein aggregates.