Micro-dispositifs pour la biopsie liquide : vers la capture et détection intégrées de biomarqueurs cellulaires tumoraux

Micro-devices for liquid biopsy : towards integrated capture and detection of cancer cell biomarkers

• Auteur / Autrice : Elise Bou
• Direction : Christophe Vieu, Aline Cerf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano-physique, nano-composants, nano-mesures
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Grisolia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Vieu, Jérémie Grisolia, Sylvie Renaud, Olivier Francais, Orphée Cugat, Franck Molina, Gilles Favre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Renaud, Olivier Francais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vélocimétrie laser Doppler

Spectroscopie d'impédance

Biopsie

Mots clés libres

Cellule Tumorale Circulante

Biopsie liquide

Micro-Dispositif biomédical

Spectroscopie d'impédance

Vélocimétrie laser Doppler

Circulating Tumor Cell

Liquid biopsy

Biomedical micro-Device

Impedance spectroscopy

Laser Doppler velocimetry

Résumé

Le terme « cancer » désigne un ensemble de maladies dont la caractéristique commune est une prolifération cellulaire anormale en partie liée à l’accumulation de modifications génétiques. Le cancer est un défi majeur de santé publique avec plus de 18 millions de nouveaux cas de cancer et 9 millions de décès recensés en 2018 dans le monde.A ce jour la confirmation de la maladie se fait quasi-systématiquement par l’intermédiaire d’une biopsie solide consistant à extraire un échantillon tissulaire de la tumeur via un acte chirurgical invasif. La recherche se concentre depuis ces dernières décennies sur la mise au point de nouveaux procédés de biopsie liquide. Leur principe repose sur le prélèvement de fluides corporels, notamment le sang, pour la détection de marqueurs tumoraux tels que l’ARN et l’ADN circulants, les vésicules extracellulaires et les Cellules Tumorales Circulantes (CTCs). La biopsie liquide est beaucoup moins invasive, son usage en routine clinique permettrait d’augmenter la fréquence de l’analyse des biomarqueurs et d’améliorer le suivi de la tumeur dans le temps. Ce concept est prometteur dans le cadre d’une personnalisation de la prise en charge des patients, nécessaire face à l’hétérogénéité des pathologies cancéreuses.Parmi les biomarqueurs accessibles via la biopsie liquide, la capture et l’analyse des CTCs présentent un vif intérêt au sein de la communauté scientifique pour les possibilités d’avancées entrouvertes dans le domaine de l’oncologie. La quantité de ces cellules détachées de la tumeur primaire et disséminées dans le sang est notamment liée à l’agressivité du cancer et au potentiel métastatique. Toutefois, l’utilisation des CTCs pour la prise de décision clinique ne fait pas encore consensus, faute d’une technologie fiable et robuste pour la mettre en œuvre. En effet, atteindre une sensibilité suffisante pour la capture sélective de ces cellules rares à partir d’un fluide complexe tel que le sang est un défi technologique (quelques CTCs/ml de sang).Dans la perspective d’apporter une solution technologique fiable, des micro-dispositifs innovants ont été développés pour la capture de CTCs dans le sang. Les dispositifs comportent une membrane filtrante sur laquelle les CTCs sont préférentiellement isolées car elles sont de tailles plus importantes mais aussi plus rigides que les cellules sanguines saines. Cette technologie a fait l’objet d’un transfert industriel à partir duquel est née la start-up SmartCatch en 2016. Le cœur d’activité de l’entreprise est le développement de ces micro-dispositifs de capture, les S-MDCs, afin de les rendre accessibles au sein des unités de recherches et du milieu hospitalier.C’est dans le contexte du développement des S-MDCs que s’inscrivent les travaux de cette thèse CIFRE en collaboration entre SmartCatch et le LAAS-CNRS. Le fil conducteur de cette thèse repose sur une évolution vers des dispositifs capables de fournir des informations sur le processus de capture en temps réel à l’utilisateur. Les informations ciblées sont la détection des évènements de capture cellulaire in situ ainsi qu’un suivi de la vitesse de l’écoulement sanguin au voisinage des S-MDCs. L’accès à ces informations permettrait d’établir une calibration et un protocole d’utilisation précis, nécessaires à l’introduction de ces dispositifs en routine clinique. Dans cette perspective, deux pistes principales ont été explorées au cours de la thèse afin de répondre à ces deux problématiques. La première repose sur l’intégration de microélectrodes pour permettre la détection électrique des cellules capturées. La seconde repose sur un système de vélocimétrie Doppler pour le suivi en temps réel de l’évolution de la vitesse d’écoulement au voisinage du S-MDCs. Le document de thèse détaille les procédés de fabrication de ces micro-dispositifs, des études préliminaires faisant objet de preuve de concept, ainsi que les perspectives de développement pour leur introduction en routine clinique.

Cancer refers as a group of diseases, which are characterized by abnormal cellular proliferation, mainly due to an accumulation of gene modifications. With 18 million of new cases and 9 million of deaths identified worldwide in 2018, cancer is a major issue of public health.Nowadays, confirmation of the disease is usually performed through a solid biopsy, which consists in harvesting a tissue sample from the tumor via invasive surgical intervention. Over the last decades, research has focused on the implementation of new processes of liquid biopsy. These novel techniques lie on researching inside body fluids, blood in particular, cancer markers such as circulating RNA and DNA, extracellular vesicles and Circulating Tumor Cells (CTCs). A major advantage of liquid biopsy lies on the minimally invasive access to biomarkers through a standard blood sampling for example. Its implementation in clinical routine could enable to increase biomarkers analysis frequency in order to improve tumor evolution monitoring over time. This concept has great potential in the perspective of personalized patient follow-up. Means for personalized follow-up or precision medicine are highly needed considering the heterogeneity of pathologies caused by cancer, which is nowadays not possible using available tools in the medical field.Among the biomarkers accessible via liquid biopsy, CTCs capture and analysis are from high interest in the scientific community for the possibilities of advances they offer in the oncologic field. The number of cells detached from the primary tumor and disseminated in blood particularly, is related to tumor aggressiveness and metastatic potential. However, CTCs use for clinical decision-making is still not yet implemented due to the lack of a reliable and robust technology. Indeed, reaching the sensibility required to allow selective capture of rare cells from a complex fluid such as blood represents a technological challenge (few CTCs/mL of blood).In the perspective to propose a reliable and efficient technological solution, innovative microdevices have been developed for CTCs capture from whole blood. The devices comprises a filtering membrane on which CTCs are preferentially isolated as they present higher sizes and are more rigid than blood cells. This technology has been industrially transferred through the creation of SmartCatch spin-off in 2016. The company core activity is the development of these capture microdevices, the S-CMDs, in order to make this technology accessible to research unities and hospital environment.Work of this thesis is enrolled in the development of the S-CMD though a collaboration between SmartCatch and LAAS-CNRS laboratory in the frame of a CIFRE convention. The thesis objectives consist in an evolution towards devices able to communicate information about the capture process in real time to the user. The targeted information are cell capture events detection in situ and a measure of blood flow velocity in the vicinity of the S-CMD. These data would enable to set precise calibration and using protocol, required for the introduction of the devices in clinical routine. To answer both problematics, two principal axes have been explored during this thesis. A first one lies on the integration of microelectrodes to allow electrical detection of captured cells. A second track is related to laser Doppler velocimetry (LDV) for real time monitoring of blood flow velocity near S-CMDs. This thesis manuscript details the microfabrication process for integration of microelectrodes and implementation of a compact LDV system, measurements proof of concept for both technological solutions and perspectives for integration and introduction of communicating devices in clinical routine.