Transistors Electrochimiques Organiques (OECTs) : nouveaux capteurs pour l’analyse de l’activité électrique des micro-organes pancréatiques

Organic Electrochemical Transistors (OECTs) : a new class of sensors to monitor pancreatic micro-organ activity

• Auteur / Autrice : Myriam Abarkan
• Direction : Jochen Lang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Cellulaire et Physiopathologie
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Nadjar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jochen Lang, Agnès Nadjar, George Malliaras, Oliver Nüsse, Andreas Frick, Jean-Christophe Jonas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : George Malliaras, Oliver Nüsse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices de microélectrodes

Biocapteurs

Électrophysiologie

Îlots pancréatiques

Mots clés libres

Îlot pancréatique

Cellule α. cellule β

Électrophysiologie

Biocapteur

Transistor électrochimique organique ou OECT

Matrice de microélectrodes ou MEA

Pancreatic islet

Α cell. β cell

Electrophysiology

Biosensor

Organic electrochemical transistor or OECT

Microelectrode array or MEA

Résumé

Les îlots pancréatiques sont des micro-organes multicellulaires impliqués dans l’homéostasie du glucose. Leur activité sécrétoire et leurs interactions sont modulées par des facteurs autocrine et paracrine potentialisant ou non le stockage ou la production de l’énergie pour maintenir une homéostasie glucidique. La cellule β est un capteur naturel du glucose qui intègre les signaux transmis par les autres nutriments et les hormones. L’activation des canaux ioniques présents à la surface de la membrane plasmique conduit à des flux ioniques responsables de l’activité électrique de la cellule β.La première étude de ma thèse concerne la régulation fine des îlots impliquant le neuromédiateur glutamate. L’objectif était d’étudier le rôle du récepteur au glutamate GluK2 présent dans les cellules α pancréatiques, dans l’homéostasie glucidique et dans la régulation de la sécrétion des îlots. La technique d’enregistrements extracellulaires sur matrices de microélectrodes (MEAs) a permis entre autres d’étudier l’activité électrique des îlots de souris transgéniques pour GluK2, de différents âges, de manière non-invasive sur le long-terme.Dans un second temps, j’ai consacré la majeure partie de ma thèse au développement de nouveaux biocapteurs, les transistors électrochimiques organiques (OECTs). Ces OECTs sont basés sur l’électronique organique améliorant davantage les enregistrements extracellulaires comme déjà montré avec les neurones et les cellules musculaires striées. Leur polymère semi-conducteur leur confère une conductivité électronique/ionique mixte permettant des enregistrements électriques plus riches et une amplification des signaux locaux avec un excellent rapport signal/bruit. Les OECTs sont accessibles aux modifications chimiques ; rendre le polymère spécifique à des ions inhérents à la fonction des cellules pancréatiques (K+, Na+, Ca2+, Zn2+) améliorerait davantage le pouvoir analytique. Le challenge fut de développer cette approche OECTs pour la première fois pour les îlots, en étudiant leur stabilité à long-terme, en contact de substrats biologiques, et en mettant en place des cartes électroniques pour le suivi de l’activité électrique.La première étude a montré que les souris mutées déficientes pour GluK2 présentaient une diminution de la sécrétion de glucagon et de l’insuline in-vivo et in-vitro, conduisant à une meilleure tolérance au glucose et une meilleure sensibilité à l’insuline, à l’âge adulte et lors du vieillissement. La suppression de ce récepteur améliore l’homéostasie glucidique et la préserve du vieillissement, suggérant que l’inactivation ou le blocage de GluK2 pourrait être bénéfique pour l’homéostasie glucidique et pourrait la préserver lors du vieillissement.La mise en place de la technologie OECTs a permis d’établir des paramètres électriques non-invasifs pour leur performance en termes d’amplification ce qui est primordial pour nos études biologiques quantitatives long-terme. La carte électronique développée est réglable par OECT permettant d’ajuster les paramètres électriques en fonction de leur niveau de performance. Nous l’avons validée grâce aux cellules cardiaques, déjà testées dans la littérature et montrant des signaux électriques de grande amplitude. Les cellules cardiaques ont permis de déterminer les conditions électriques non invasives pour lesquelles la détection des signaux est possible avec les meilleurs rapports signal/bruit. Nous avons ensuite enregistré l’activité électrique des îlots sur OECTs en mesurant les potentiels lents (PLs), signaux de couplages multicellulaires, et les potentiels d’action (PAs), signaux rapides unicellulaires. Ainsi, nous avons réalisé avec les OECTs des études quantitatives sur cellules cardiaques et îlots pour montrer la preuve du concept. À l’avenir, ces OECTs ouvrent la possibilité d'utiliser des polymères ions-spécifiques pour suivre l’activité de canaux ioniques précis lors d’expériences mimant la physiologie ou des conditions physiopathologiques.

Pancreatic islets are multicellular micro-organs involved in glucose homeostasis. Their secretory activity and their interactions are modulated by autocrine and paracrine factors, to provide fine regulation of the storage or production of energy to maintain carbohydrate homeostasis. The β cell is a natural glucose sensor which integrates signals transmitted by other nutrients and hormones. Metabolic activation of ion channels present on the surface of the plasma membrane leads to ionic fluxes responsible for the electrical activity of the β cell.The first study of my thesis concerned the fine regulation of islets involving the neurotransmitter glutamate. The objective was to study the role of the glutamate receptor, GluK2 present in pancreatic α cells, in carbohydrate homeostasis and in the regulation of islet secretion. The technique of extracellular recordings on multi-electrode arrays (MEAs) was used to study the electrical activity of islets of mice transgenic for GluK2 of different ages in a non-invasive manner over the long term of a prandial/postprandial phase.Secondly, I subsequently devoted most of my thesis to the development of new biosensors, organic electrochemical transistors (OECTs). These OECTs are based on organic electronics further enhancing extracellular recordings as already shown with neurons and striated muscle cells. Their semiconductor polymer gives them a mixed electronic / ionic conductivity allowing richer electrical recordings and amplification of local signals with an excellent signal / noise ratio. OECTs are accessible to chemical modifications and making the polymer specific to ions inherent in pancreatic cell function (K+, Na+, Ca2+, Zn2+) would further improve analytical power. The challenge was to develop this OECTs approach for the first time for islets, known for the small amplitude of their signals, by studying their long-term stability, in contact with biological substrates, and by setting up electronic cards for monitoring electrical activity.The first study showed that mutated mice deficient in GluK2 exhibited decreased secretion of glucagon and insulin in-vivo and in-vitro, leading to better glucose tolerance and improved insulin sensitivity, to adulthood and during aging. Removal of this receptor improves carbohydrate homeostasis and preserves it in aging, suggesting that inactivating or blocking GluK2 may be beneficial for carbohydrate homeostasis and may preserve islets during aging.The implementation of OECT technology made it possible to establish non-invasive electrical parameters for their performance in terms of amplification, which is essential for our long-term quantitative biological studies. The developed electronic card is tunable for each OECT channel allowing the electrical parameters to be adjusted according to their level of performance and thus opens the possibility of quantitative studies. We validated the approach using first cardiac muscle cells, already described in the literature and showing electrical signals of large amplitude. These cardiomyocytes were used to determine non-invasive electrical conditions where signal detection is possible with improved signal-to-noise ratios. I subsequently recorded the electrical activity of islets on OECTs by measuring slow potentials (SPs), multicellular coupling signals and action potentials (APs), single-cell fast signals. Thus, we accomplished to use OECTs in quantitative studies on cardiac cells and islets to provide proof of concept. In the future, these OECTs open up the possibility of using ion-specific polymers to monitor the activity of specific ion channels in experiments mimicking physiology or pathophysiological conditions.