Analyse des propriétés en déformabilité de globules rouges par impédancemétrie au sein d’une puce microfluidique : application à la drépanocytose

Study of red blood cell deformability using impedance measurement within a microfluidic device : sickle cell disease analysis

• Auteur / Autrice : Tieying Xu
• Direction : Olivier Français, Bruno Le Pioufle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/05/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Ledoux-Rak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Dufour Dabadie, Marie Frenea-Robin, Agnès Tixier, Yong Chen, Emile Martincic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Dufour Dabadie, Marie Frenea-Robin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impédance bioélectrique

Électrodes

Drépanocytose

Érythrocytes

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Déformabilité des globules rouges

Drépanocytose

Bio-Impédance

Détection électrique

Red blood cell deformability

Electrical detection

Bio-Impedance

Microfluidic

Sickle cell disease

Résumé

En raison d’une mutation génétique, l'hémoglobine contenue dans les globules rouges (GRs) se polymérise sous conditions de désoxydation, conduisant à une modification des propriétés en déformabilité des GRs. Ce travail de thèse propose une investigation par des mesures électriques de cinétique de passage comme nouveau moyen pour une caractérisation plus rapide et plus poussée de la déformabilité des GRs. Il s’appuie sur une puce microfluidique réutilisable contenant un réseau de capillaires mimétique de la circulation sanguine au sein des organes et intégrant des électrodes de mesure électrique. La discrimination entre des globules rouges normaux, des globules rouges chauffés, des globules rouges sphérocytaires et des globules rouges drépanocytaires constitue le cœur de cette thèse.Pour la mise en œuvre de ce projet, une analyse analytique utilisant un modèle numérique a été utilisée pour estimer le comportement fluidique et électrique de la puce microfluidique. La microfabrication a été utilisée pour obtenir la puce microfluidique. Le packaging utilise un PDMS recouvert de parylène permettant un assemblage réversible et simplifiant la mise en œuvre du système.Plus de 2000 globules rouges ont été analysés pour la comparaison entre des globules rouges normaux ou pathologiques (drépanocytaires ou atteints par la sphérocytose héréditaire). Une discrimination entre les globules rouges normaux et anormaux a été observée en comparant ces paramètres. Une corrélation entre les caractérisationsélectriques mesurées et les propriétés mécaniques des globules rouges est ainsi obtenue.

Due to the genetic disorder, the hemoglobin in red blood cell (RBC) polymerizes under deoxidation conditions, leading to the variation of RBC deformability. Statistical analyses of the variation of RBC deformability are usually performed with an optical microscope, by observing RBC shape and behaviour under flow rate. However, this method lacks productiveness. This thesis studies an electrical investigation of flow kinetics across the mimetic capillary. It offers a new original way for faster and further characterization of the alteration of red blood cell (RBC) deformability. It is based on a reusable microfluidic chip which contains a mimicking capillaries network with embedded electrodes. Discrimination between normal RBCs, heated RBCs, hereditary spherocytosis RBCs and sickle cells has been achieved.During this project, an analytical approach and a finite element analysis were used to estimate the fluidic and electric behaviour of the cell flowing in the microfluidic device. Specific microfabrication was required to obtain the reusable microfluidic PDMS chip and electrodes. The packaging uses a parylene-coated PDMS allowing a reversible assembly and simplifying the implementation of the system.More than 2000 red blood cells were analysed for comparison between normal and pathological red blood cells (sickle cell disease or hereditary spherocytosis). The results mainly exploit the transit time and the amplitude of the current blockage when RBCs transit within the capillary. Discrimination between normal and abnormal RBCs was observed with these data. A correlation between the measured electrical characterizations and the mechanical properties of the red blood cells is thus obtained.