Microfluidique des surfaces ciliées : approche biomimétique de la clairance mucociliaire dans les poumons

Microfluidics of ciliated surfaces : biomimetic approach of the mucociliary clearance in the lungs

• Auteur / Autrice : Stefan Rouach
• Direction : Jean-François Berret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/04/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Antigoni Alexandrou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antigoni Alexandrou, Marie-Pierre Valignat, Xavier Noblin, Sandra Lerouge
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Valignat, Xavier Noblin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Clairance mucociliaire

Photolithographie

Viscoélasticité

Magnétisme

Microfluidique

Microactionneurs

Mots clés libres

Microactionneurs

Mucus

Cils

Clairance-mucociliaire

Microfluidique

Magnétisme

Rhéologie

Viscoélasticité

Photolithographie

Organ-On-Chip

Microactuators

Mucus

Cilia

Mucociliary-clearance

Microfluidics

Magnetism

Rheology

Viscoelasticity

Photolithography

Organ-On-Chip

Résumé

Les particules fines en suspension dans l'air proviennent des installations de production, des chantiers de construction et des incendies de forêt, entre autres sources, et leur inhalation est une cause importante de maladie et de mortalité prématurée dans le monde. Parmi elles, les particules dont la taille est inférieure à 10 µm (PM10), infligent l'impact le plus préjudiciable en raison de leur capacité à échapper aux barrières défensives du système respiratoire, ciblant les extrémités distales des poumons. Le système respiratoire des mammifères exprime un mécanisme défensif dans lequel les particules inhalées sont piégées et éliminées via un processus connu sous le nom de « clairance mucociliaire ». Une barrière physique comprenant une couche de mucus récurrente est périodiquement expulsée par l'action métachronale des cellules épithéliales ciliées, fournissant un réseau maillé collant pour piéger la matière particulaire, et un battement de cils coordonné pour éliminer la matière étrangère. Le mucus est un gel et ses propriétés viscoélastiques dictent l'efficacité de la clairance mucociliaire. Inspirés par ces phénomènes, les chercheurs visant à créer de nouveaux vecteurs de médicaments pour les thérapies pulmonaires se sont tournés vers les nanoparticules comme moyen de contourner la barrière défensive du système respiratoire. Cependant, la recherche a toujours été entravée par des représentations in vitro trop simplifiés des conditions in vivo. Ces dernières années, des modèles alternatifs de systèmes respiratoires in vitro tentent d'imiter leurs homologues biologiques en utilisant des caractéristiques microfluidiques capables d'extruder des particules dispersées dans des fluides résultant du battement coordonné d'actionneurs souples. Ces modèles comprennent souvent des réseaux de micropiliers à base d'élastomère, fonctionnalisés magnétiquement avec des micro- ou nanoparticules de fer, qui s'actionnent dans un champ magnétique tournant. Ces réalisations ont permis aux chercheurs d'étudier l'écoulement suivi des particules dans le contexte des fluides newtoniens et des solutions visqueuses. Cependant, à ce jour, aucune équipe n'a présenté de modèle représentant la complexité multicouche de la muqueuse respiratoire, dont l'expression rhéologique varie sur toute sa profondeur. Dans cette thèse, je présente un modèle qui mime mieux les composants composant la couche de mucus respiratoire, ce qui pourrait améliorer la représentation de la clairance mucociliaire dans le cadre d'un organe sur puce. Suivant les protocoles publiés, des micropiliers de longueur 50 à 150 µm et de diamètre 15 à 30 µm sont réalisés et incorporés dans une puce microfluidique. Des aimants permanents sont commandés via un moteur pour induire une déviation dans les micropiliers, de sorte qu'une onde d'actionnement pseudo-métachrone est obtenue. La caractérisation du profil de battement du micropilier et du profil de vitesse du liquide est réalisée. En perspective, nous montrons comment nous avons reproduit une double couche de liquides non miscibles, imitant étroitement le mucus et sa couche périciliaire sous-jacente. Pour y parvenir, une fine couche d'huile minérale récapitule la phase périciliaire du fluide de viscosité relativement faible, et une couche de fluide viscoélastique synthétique imite le mucus. Cette approche renforce la possibilité de futures caractérisations sur puce de la clairance mucociliaire.

Fine airborne particulate matter results from production facilities, building sites, and wildfires, among other sources, and their inhalation is a significant cause of sickness and premature mortality worldwide. Among them, particulate matter with sizes below 10 µm (PM10), inflict the most detrimental impact due to their capacity to evade the defensive barriers of the respiratory system, targeting the distal ends of the lungs. The mammalian respiratory system expresses a defensive mechanism in which inhaled particulate matter is trapped and eliminated via a process known as 'mucociliary clearance'. A physical barrier comprising a recurring mucus layer is periodically expelled by the metachronal action of ciliated epithelial cells, providing a sticky meshed network to trap particulate matter, and a coordinated cilia beat to expunge the foreign material. Mucus is a gel, and its viscoelastic properties dictate the efficacy of mucociliary clearance. Inspired by these phenomena, researchers aiming to create novel drug carriers for pulmonary therapies have turned to nanoparticles as a means of bypassing the respiratory system's defensive barrier. However, research has historically been impeded by over-simplified in vitro representations of in vivo conditions. In recent years, alternative models of in vitro respiratory systems attempt to mimic their biological counterparts by employing microfluidic features able to extrude particles dispersed in fluids resulting from the coordinated beating of soft actuators. These models often comprise arrays of elastomer-based micropillars, magnetically functionalised with iron micro- or nanoparticles, that actuate in a rotating magnetic field. These achievements have permitted researchers to investigate particle-tracked flow in the context of Newtonian fluids and viscous solutions. However, to date, no team has presented a model representing the multi-layered complexity of the respiratory mucosa, which varies in rheological expression throughout its depth. In this thesis, I present a model that better mimics the components comprising the respiratory mucus layer, which could improve the representation of mucociliary clearance in the context of an organ-on-chip. Following published protocols, micropillars of length 50 - 150 µm and diameter 15 - 30 µm are achieved and incorporated into a microfluidic chip. Permanent magnets are controlled via motor to induce a deflection in the micropillars, such that a wave of pseudo-metachronal actuation is achieved. Characterisation of the micropillar beating profile and the liquid velocity profile is carried out. In perspective, we show how we reproduced a dual-layer of immiscible liquids, closely mimicking mucus and its underlying periciliary layer. To achieve this, a thin layer of mineral oil recapitulates the periciliary phase of relatively low viscosity fluid, and a layer of synthetic viscoelastic fluid mimics the mucus. This approach bolsters the possibility of future on-chip characterizations of mucociliary clearance.