Développement d'une plateforme microfluidique à microélectrodes multipuits pour la stimulation et l'enregistrement de jonctions neuromusculaires humaines in vitro

Development of a microfluidic platform with multi-well microelectrodes for in vitro stimulation and recording of human neuromuscular junctions

• Auteur / Autrice : Léa Vuiart
• Direction : Benoit Charlot, Florence Rage
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux Micro et Nanodispositifs (M2N)

Mots clés

Mots clés libres

Microelectrodes

Electrophysiologie

Organes sur puce

Jonction neurones muscle

Microfluidique

Organoides

Microelectrodes

Organoids

Neuromuscular junctions

Microfluidics

Electrophysiology

Organs on a chip

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le programme IDIL de l'université de Montpellier qui finance deux contrat doctoraux en miroir, l'un en biologie et l'autre dont il est question ici en microtechnologie et microfluidique. Les maladies du motoneurone comme la SMA ou l'ALS sont des maladies rares pour lesquelles il n'existe pas de traitements efficaces. Ces maladies affectent principalement les jonctions neuromusculaires (JNM), lieu de passage de l'information entre neurones moteurs et fibres musculaires. Elles sont à l'origine de problèmes graves de motilité Afin d'étudier et comprendre les mécanismes moléculaires défaillants dans ces JNM, il est primordial de les reconstruire in vitro pour pouvoir les observer sous microscope. Si de plus on est capable de stimuler et d'enregistrer l'activité électrique côté neurones et côté muscles, alors nous disposons d'un outil extrêmement puissant pour l'analyse de la fonctionnalité des NMJ. Ce projet de recherche entre biologie et micro ingénierie se base sur une collaboration établie entre benoit Charlot de l'IES et Florence Rage de l'IGMM. En effet suite à une collaboration de plus de 5 ans, les porteurs de ces projets de thèses en miroir ont développé un premier prototype de plateforme multipuits (32 puces microfluidiques sur la même plaque) instrumentée (128 canaux de microélectrodes) permettant de reconstruire des NMJ entièrement humaines issues de cellules souches pluripotentes induites. Les deux doctorants vont alors s'engager dans une campagne de mesure d'ampleur en utilisant ce premier prototype où ils ensemenceront les NMJ humaines différenciées qu'elles soient saines ou pathologiques. L'objectif sera d'extraire pour chacune une signature d'activité électrique. Cette signature permettra d'évaluer la capacité du motoneurone stimulé électriquement à transmettre l'information vers une cellule musculaire pour induire une contraction. Ainsi cette analyse conduira à définir un biomarqueur spécifique de NMJ pour enfin étudier l'effet de médicaments sur ces NMJ. Ces deux projets de thèse vont être conduits en synergie tout d'abord sur une vaste campagne expérimentale permettant de qualifier la plateforme puis d'évaluer la réponse de différents modèles de NMJ soumises à différentes molécules actives. Puis, dans un second temps les projets évolueront des deux côtés d'une part la plateforme et de l'autre le modèle cellulaire afin que le système microfluidique s'adapte vers l'utilisation et la mesure d'activité d'organoïdes ou assembloides neuromusculaires qui représentent une évolution plus pertinente du modèle, et cela dans le cadre de la réduction des tests sur animaux.

This thesis is part of the IDIL programme at the University of Montpellier, which is funding two doctoral contracts, one in biology and the other in microtechnology and microfluidics. Motor neuron diseases such as SMA or ALS are rare diseases for which there are no effective treatments. These diseases mainly affect the neuromuscular junctions (NMJ), where information passes between motor neurons and muscle fibres. They cause serious problems of motility. In order to study and understand the molecular mechanisms at work in these NMJs, it is essential to reconstruct them in vitro so that they can be observed under the microscope. If we are also able to stimulate and record electrical activity on the neuron and muscle sides, then we have an extremely powerful tool for analysing the functionality of NMJs. This research project combining biology and microengineering is based on a collaboration established between benoit Charlot from the IES and Florence Rage from the IGMM. Following a collaboration lasting more than 5 years, the holders of these mirror thesis projects have developed an initial prototype of a multi-well platform (32 microfluidic chips on the same plate) instrumented (128 microelectrode channels) enabling the reconstruction of fully human NMJs derived from induced pluripotent stem cells. The two PhD students will then embark on a large-scale measurement campaign using this first prototype, in which they will seed differentiated human NMJs, whether healthy or pathological. The aim will be to extract an electrical activity signature for each one. This signature will be used to assess the ability of an electrically stimulated motor neuron to transmit information to a muscle cell to induce a contraction. This analysis will lead to the definition of a biomarker specific to NMJs, enabling us to study the effect of drugs on these NMJs. These two thesis projects will be carried out in synergy, firstly on a vast experimental campaign to qualify the platform and then to evaluate the response of different models of NMJ subjected to different active molecules. Then, in a second phase, the projects will evolve on both sides, on the one hand the platform and on the other the cellular model, so that the microfluidic system can be adapted to the use and measurement of the activity of neuromuscular organoids or assemblies, which represent a more relevant evolution of the model, and this in the context of reducing animal testing.