Développement de systèmes microfluidiques pour la culture in vitro du parasite schistosoma mansoni et la sélection rapide de molécules anti-parasitaires

Development of microfluidic systems for schistosoma mansoni in vitro culture and rapid selection of anti-parasitic molecules

• Auteur / Autrice : Vincent Girod
• Direction : Vincent Senez, Jérôme Vicogne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 06/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'infection et d’immunité de Lille - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Wolowczuk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thavy Long, Benoît Charlot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin G. Dewals, Anne-Marie Haghiri-Gosnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Anthelminthiques

Criblage pharmacologique

Microfluidique

Multiplication in vitro

Schistosoma mansoni

Mots clés libres

Organes sur puce

In vitro Culture

Organ on chip

Schistosome

Microfabrication

Drug Screening

Résumé

Les schistosomes sont des vers sanguins responsables de la schistosomiase (ou bilharziose), la parasitose la plus répandue chez l’homme après le paludisme. Les schistosomes sévissent essentiellement dans les pays tropicaux et subtropicaux. Ils causent plus de 236,6 millions d’infections et sont responsables de plus de 200 000 décès par an. Suite au réchauffement climatique et aux mouvements de population, de nouveaux foyers commencent à apparaître en Europe, notamment en Corse. La pathologie de la schistosomiase est associée à la remarquable longévité des vers adultes, pouvant dépasser les 20 ans à l'intérieur de leur hôte, ainsi qu’à la production intense et permanente d'œufs par les femelles. Les œufs pondus et piégés dans les tissus de l'hôte provoquent la formation de granulomes, une réponse inflammatoire sévère qui affecte les fonctions des organes et augmente considérablement le risque de cancers. Le praziquantel est actuellement le seul médicament capable de traiter les six espèces de schistosome infestant l’homme. Cependant, son utilisation généralisée pour le traitement de masse des populations depuis les années 1980 a favorisé l’émergence de souches tolérantes. En l'absence de vaccin pour prévenir et éradiquer la maladie, la caractérisation de nouvelles molécules thérapeutiques sont donc nécessaires. De nombreuses études sont réalisées en ce sens mais elles se heurtent à la complexité du cycle de reproduction du parasite qui nécessite un hôte intermédiaire invertébré et un hôte définitif vertébré. Ici, il est actuellement impossible de maintenir un tel cycle de reproduction en dehors de ses hôtes. En effet, la forme adulte du parasite ne peut survivre plus de 15 jours en boite de culture. Par conséquent, les résultats obtenus lors de criblage de molécules sont souvent biaisés et difficilement représentatifs de leur efficacité in vivo. Cette thèse a donc eu pour objectif principal de développer des systèmes microfluidiques capables de mimer les écoulements sanguins, de favoriser la survie des parasites matures sur une période d’un mois et de réaliser un criblage de molécule anti-schistosome. Ainsi, une étude comparative des milieux de culture les plus couramment utilisés a été réalisée in vitro afin de sélectionner les composants plus appropriés au maintien de schistosomes en culture classique. En parallèle, une preuve de concept a été réalisée pour quantifier la viabilité des parasites mis en culture grâce à un marquage métabolique à l’EdU, et par chimie Click. Enfin, une puce microfluidique monocanal capable d'héberger 30 couples a été conçue pour évaluer la capacité d’accrochage des vers sur différents revêtements de surface. Ce dispositif a permis de sélectionner des vers en bonne santé et d’évaluer leur capacité d’adhésion lorsqu’ils sont soumis à une molécule antihelminthique. Cette approche de dépistage fluidique a été validée en utilisant les deux principales molécules anti-schistosome, le praziquantel et l’artémisinine. Surtout, il permet une détection rapide, sensible et fiable des composés en une journée maximum.

Schistosomes are blood-dwelling worms responsible for schistosomiasis, the most common parasitosis diseases after malaria. Schistosomes mainly occur in tropical and subtropical areas. They cause more than 236.6 million infestation cases and are responsible for more than 200,000 deaths per year. Following global warming and population movements, new outbreaks are beginning to appear in Europe, particularly in Corsica. The pathology of schistosomiasis is associated with the remarkable longevity of adult worms, which can exceed 20 years inside their host, as well as the intense and permanent production of eggs by females. Eggs laid and trapped in host tissues cause granulomas, a severe inflammatory response that affects organ functions and greatly increases the risk of cancers. Praziquantel is currently the only effective drug against the six species of schistosomes infectious to humans. However, its widespread use for the mass treatment of populations since the 1980s has favored the emergence of tolerant strains. In the absence of a vaccine to prevent the disease, the characterization of new therapeutic molecules is necessary. Many studies have been carried out but they come up against the complexity of the reproduction cycle of the parasite which requires an intermediate invertebrate host and a definitive vertebrate host. Indeed, it is currently impossible to maintain schistosoma reproduction cycle outside of their hosts. The adult form of the parasite cannot survive more than 15 days in a Petri dishes. Thus, the results obtained during drug screening are often biased and it is difficult to predict their effectiveness in vivo. The main objective of this thesis was to develop microfluidic systems capable of mimicking mesenteric veins network and flow stream to extend mature parasites survival over a period of one month and perform anti-schistosomal drug screening. Thus, a comparative study of the most commonly used culture media was carried out in vitro in order to select the most appropriate components to maintain schistosomes in conventional culture. In parallel, a proof of concept was carried out to quantify the viability of cultured parasites using EdU metabolic labeling and Click chemistry. Finally, we designed a single-channel microfluidic chip capable to host 30 paired worms, in order to evaluate the attachment capacity of worms on different surface coatings. This device made it possible to select healthy worms and to evaluate their ability to adhere when subjected to an antihelminthic molecule. This fluidic screening approach has been validated using the two major antihelmintic drugs, praziquantel and artemisinin. Importantly, our technique allows rapid, sensitive and reliable detection of compounds in no more than one day.