Conception et développement d’un organe-sur-puce, incorporant une membrane d’hydrogel déformable, pour la production de tissus barrières sur puce microfluidique

Development of an organ-on-chip microfluidic device incorporating an actuatable hydrogel layer to produce barrier tissue mimicries on chips

• Auteur / Autrice : Nicolas Minier
• Direction : Muriel Vayssade, Samy Gobaa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioingénierie : Unité de Recherche Biomécanique et Bioingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biotechnologie

Génie biomédical

Polyéthylèneglycol

Hydrocolloïdes

Biocompatibilité

Biomatériaux

Microtechniques

Microfluidique

Épithélium

Génie tissulaire

Perméabilité

Cellules Caco-2

Intestins

Cellules intestinales

Cultures cellulaires

Cellules souches

Organoïdes

Mots clés libres

Organe-sur-puce

Perméabilité apparente

Caco-2/TC7

HAHL

PEG

Hydrogel

Systèmes microphysiologiques

Organ-on-chip

Apparent permeability

Microdevices

Microfluidics

Biomaterials

Hydrogel

Intestines

Caco-2/TC7

PEG

Microphysiological systems

Polyethylene glycol

Caco-2 cells

Intestinal cells

Hydraulically Actuated Hydrogel Layer (HAHL)

Résumé

Alors que l’éthique et la loi poussent la recherche à plus de sécurité, ainsi qu’à une moindre utilisation des animaux, il est devenu crucial de développer des systèmes in vitro d’une plus grande pertinence. Depuis la fin du XXe siècle, plusieurs systèmes ont fait leur apparition pour tenter de pallier les difficultés rencontrées, et notamment les « organes-sur-puces » (organ-on-chip systems). Ces systèmes microfluidiques de culture cellulaire avancés permettant de recréer certaines fonctions tissulaires grâce au contrôle très précis des conditions du microenvironnement cellulaire. Malgré les avancées de la bioingénierie et l’amélioration de nos méthodes de culture in vitro, la discipline est jeune et de nombreux progrès restent à faire. Les travaux présentés ici détaillent le développement d’un organe-sur-puce incluant une membrane d'hydrogel déformable et dégradable, aux propriétés physico-chimiques proches de tissus mous tels que les poumons ou les intestins. Cette puce semble pertinente pour accueillir des tissus barrières, composés de plusieurs types cellulaires, organisés de part et d'autre, ainsi qu'au sein de cette barrière, souvent soumise à des stimuli mécaniques. Durant ce doctorat, plusieurs objectifs ont été atteints : - Concevoir et fabriquer un organe-sur-puce incluant un hydrogel biocompatible et déformable, ainsi qu’un système microfluidique permettant le contrôle indépendant du flux et de la déformation de la membrane d’hydrogel. - Caractériser la déformation subie par l’hydrogel. - Cultiver dans la puce des cellules intestinales, formant un épithélium structuré en trois dimensions, et caractériser sa perméabilité à des molécules de tailles variées.

Modern day ethics and laws call for more safety and use of fewer animals in biomedical research. It became crucial to develop novel in vitro devices of higher relevance. Since the end of the twentieth century, several systems have been proposed by researchers in attempts to palliate the shortcomings of current systems. Notably, organs-on-chip systems are specifically tailored to recapitulate tissue functions in a manner that remains easily accessible for the experimenter. Despite the significant improvements that were brought during the last century to in vitro cell and tissue culture systems, the field of bioengineering is still young and much progress remains to be done. The work presented here details the development of an organ-on-chip that includes a biocompatible and actuatable hydrogel membrane, with controlled physico-chemical properties. Such chip is relevant when hosting barrier tissues, which are composed of several cell types, disposed on each side of a barrier, as well as within its bulk, and are often submitted to mechanical stimuli. During this PhD, several objectives have been attained. Notably, we: - Designed and produced an organ-on-chip including a biocompatible and actuatable hydrogel layer, as well as a microfluidic system allowing the independent control of both flow and actuation. - Characterized the deformation of the hydrogel layer. - Cultured intestinal cells within the chip, which formed a three dimensionally structure epithelium, and characterized its apparent permeability to molecules of varying sizes