Développement d'un dispositif microfluidique pour la photoporation de cellules biologiques à hauts débits

Devlopment of a microfluidic device for high throughput photoporation of biological cells

• Auteur / Autrice : Majid Layachi
• Direction : Vincent Thomy, Emmanuel Courtade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Date : Soutenance le 27/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Fabrizio Cleri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kevin Braeckmans, Cyril Lafon, Guillaume Lajoinie, Anthony Treizebré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chantal Pichon, Marie-Pierre Rols

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules d'or

Nanopores

Cellules -- Perméabilité

Transfection

Systèmes biologiques

Résonance plasmonique de surface

Microfluidique

Mots clés libres

Photoporation

Nano-Bulles de vapeur

Photoporation

Plasmonic nanobubble

High-trhoughput intracellular delivery

Nanoparticle micro-positionning

Résumé

La transfection de cellules vise à injecter du matériel génétique dans des cellules biologiques vivantes. L'incorporation intracellulaire de molécules exogènes est un processus nécessaire en diagnostique et une étape clef dans la thérapie génique. Ces enjeux nécessitent des performances en terme d'efficacité (cellules viables positives), de qualité (incorporation) et de rendement (cadence de traitement). Des recherches sur les mécanismes limitant l'incorporation naturelle de macromolécules (endocytose) sont menées et des techniques sont développées pour surmonter les barrières cellulaires et réaliser le transfert intracellulaire de manière contrôlée. Cependant, ces systèmes biologiques, chimiques ou physiques présentent certains inconvénients. La photoporation par intermédiaire de nanoparticules d'or (AuNP) réalise néanmoinsdes performances intéressantes en perméabilisant les membranes cellulaires grâce à des nano-bulles de vapeur (VNB) générées par laser. Une nouvelle approche est présentée ici de photoporation en environnement microfluidique dans le but d'améliorer le rendement et de garantir la séparation entre les cellules et les AuNP afin d'obtenir un échantillon sans éléments cytotoxiques.Nous avons développé un nouveau système opto-fluidique intégrant des AuNP en suspension pour générer des VNB au voisinage des cellules. Cette méthode permet un rendement et un taux de transfection élevés et réduit la cytotoxicité de la transfection. L'approche permet le contrôle de la distance entre cellules et AuNP. En l'état, le rendement du dispositif peut atteindre 10³ à 10⁴ cell. /min . Surtout, la séparation réalise une meilleure viabilité des cellules photoporées en comparaison avec la méthode sans séparation (80% contre 40%) mais réduit le taux de transfection (30% contre 50%) : l'augmentation de la distance améliore la viabilité. Outil rhéologique ou de transfection, ce dispositif est une étape supplémentaire vers la transfection efficace et bio-compatible de cellule unique, un atout majeur pour le développement clinique des nouvelles thérapies cellulaires.

Cell transfection aims at introducing foreign material inside a biological living cell. This intracellular drug transport process is at the heart of many diagnosis procedures and a key step in gene therapy. In view of these stakes, high performances are of importance, namely the success rate (positive and viable cells), the quality (uptake) and the throughput (treatment rate). Research has been conducted to understand how the spontaneous uptake of macromolecules (endocytosis) is limited while workarounds to bypass cell barriers for controlled intracellular drug release has received consistentpayoff. However, up-to-date techniques mimicking bioelements or introducing physical means suffer several drawbacks. Nevertheless, Gold nanoparticle (AuNP) mediated photoporation has stood out as a promising tool to permeabilize cellmembranes through laser induced Vapour NanoBubble (VNB) generation. Based on these VNBs, a novel microfluidic approach is presented in this work, offering high throughput prospects with no contact with AuNPs to retrieve AuNP-freetreated viable cells.We set up a new optofluidic experiment integrating the use of advected AuNPs to achieve VNB generation near suspended cells. This method allows high throughput, high efficiency and low cytotoxicity drug delivery. Based on hydrodynamic focusing, the approach allows the control and tuning of the cell-to-AuNP distance. With the optical setup used, throughput ranging from 10³ to 10⁴ cells /min can be achieved. Interestingly, it yields a better viability than the mixed AuNP-cell (80% vs. 40%). As a matter of fact, viability increases with distance whereas transfection rate decreases (30% vs 50%). Both a transfection and a rheological tool, our optofluidic device is a bridge toward triggered single cell transfection, circumventing barriers to the clinical deployment of emerging cellular therapies.