Conception et étude d'une puce microfluidique pour la caractérisation électromécanique de cellules uniques

Microfluidic device for the electromechanical characterization of a single cell

• Auteur / Autrice : Sébastien Lavielle
• Direction : Bruno Le pioufle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Énergie

Génie-électrique

Santé

Microfluidique

Dielectrophorèse

Cellule

Cell

Electric-field

Microfluidics

Résumé

Pour caractériser le contenu d'une cellule ou la composition d'un ensemble de cellules (types cellulaires et proportions dans un sphéroide par exemple), son évolution ou ses altérations, une mesure de ses paramètres électrique peut être mise en œuvre sur une puce microfluidique appareillée. Une mesure de la concentration des métabolites cellulaires peut compléter en temps réel ce suivi cellulaire par l'intégration de capteurs ampérométriques (ultramicro-électrodes, [Amatore, 2008] ). Les caractéristiques électriques de la cellule peuvent être obtenus par le biais d'une mesure d'impédance, ou par sa réaction électromécanique dans un champ électrique tournant (électrorotation). Enfin l'application de champ électrique sur une cellule peut amener à la déformation de cette dernière (électrodéformation [Engelhardt, 1988] ).), et ainsi à l'obtention d'une signature mécanique (stress / déformation). Une cellule soumise à un champ électrique tournant est entraînée en rotation avec une vitesse qui dépend de la composition de sa membrane et de son contenu intracellulaire [Lin, 2018, Trainito, 2015, Trainito, 2019] . En variant la pulsation électrique de ce champ, on obtient un spectre d'électrorotation, qui dépend étroitement des propriétés diélectriques de la cellule [Arnold, 1988] . La mesure de ce spectre permet d'estimer la permittivité, la conductivité et la quantité des différents composés cellulaires [Garnett, 1904] . Nous avons pour la première fois pu montrer que cette technique de l'électrorotation permettait de caractériser le degré d'invasivité de cellules cancéreuses [Trainito, 2019] [Nguyen Mai, 2020] . L'étude des spectres d'électrorotation nous a permis de montrer que la capacité membranaire et les conductivités membranaire et intracellulaire augmentent pour les cellules les plus invasives (lignée cellulaire MOSE, mouse ovarian surface epithelial). Le niveau d'invasivité des cellules est également corrélé à leur rigidité [Swaminathan, 2011] . Dans le projet de thèse proposé, nous combinerons ces deux approches (caractérisations électrique et mécanique) sur une puce microfluidique. La déformation cellulaire sera obtenue par la superposition d'un champ électrique stationnaire impulsionnel (électrodéformation, [Engelhardt, 1988] ) au champ électrique permettant la capture de la cellule unique. La déformation obtenue dans ce cas peut être prédite par le tenseur de Maxwell, et permet de qualifier le comportement mécanique de la cellule, en particulier son élasticité [Chen, 2011] . L'expérience d'électrorotation sera effectuée sur une cellule capturée par diélectrophorèse négative, positionnée dans la zone soumise au champ tournant, et soumise simultanément à une contrainte en compression par électrodéformation. Une telle approche permettra non seulement de déterminer les propriétés diélectriques de la membrane cellulaire, du comportement cytoplasmique, du noyau, mais également de déterminer la rigidité mécanique de la cellule. Les applications visées concernent la santé, en particulier la détermination des propriétés cancéreuses de cellules eucaryotes), et l'énergie (détermination de la quantité de lipides produits par des micro-algues) [Amatore, 2008] Chemical reviews, 108, (7), 2585-2621, 2008. [Arnold, 1988] Journal of Electrostatics, 21, (2-3), 151-191, 1988. [Chen, 2011] Journal of Micromechanics and Microengineering, 21, (5), 054012, 2011. [Engelhardt, 1988] Biophysical journal, 54, (3), 495-508, 1988. [Garnett, 1904] Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 203, (359-371), 385-420, 1904. [Lin, 2018] in proc. of microTAS, Kaohsiung, Taiwan, pp 811-815. 2018 [Nguyen Mai, 2020] in proc. of MicroTAS, (on line). 2020 [Swaminathan, 2011] Cancer research, 71, (15), 5075-5080, 2011. [Trainito, 2015] Electrophoresis, 36, (9-10), 1115-1122, 2015. 10.1002/elps.201400482: [Trainito, 2019] PloS one, 14, (9), e0222289, 2019.

In order to characterize a cell's content or the composition of a cellular agregat (e.g. cell types and proportions in a spheroid), its evolution or its alterations, it is possible to use electrical sensors integrated on an instrumented microfluidic chip. Measuring the concentration of certain metabolites using amperometric sensors (ultra-microelectrodes, [Amatore, 2008]) can substantiate in real time this monitoring. The electrical parameters of a cell can be obtained via impedance measurements, or by studying its electromechanical response to a rotating electric field (electrorotation). Moreover, applying an electric field to a cell can lead to its deformation (electrodeformation [Engelhardt, 1988]), therefore providing a mechanical signature for the cell (stress/deformation). In a rotating electric field, the cell is lead to rotate with a speed determined by its membrane's composition and its intracellular content [Lin, 2018, Trainito, 2015, Trainito, 2019]. By changing the field's frequency, an electrorotation spectrum closely linked to the dielectrical properties of the cell can be obtained [Arnold, 1988]. From this experimental spectrum, the different cell compound's permittivity, conductivity and relative quantity can be estimated [Garnett, 1904]. Our group was able to demonstrate for the first time that this electrorotation technique allowed to characterize the invasiveness of cancer cells [Trainito, 2019, Nguyen Mai, 2020]. The study of electrorotation spectrums allowed us to show that the membrane capacity and the membrane and intracellular conductivity were rising in the most invasive cells (cell line MOSE, Mose Ovarian Surface Epithelial). The cell's invasiveness is also correlated to its rigidity [Swaminathan, 2011]. In this PhD project, we will combine both methods (electrical and mechanical characterization) on a microfluidic chip. The cell deformation will be carried out by imposing a pulsed electric field (electrodeformation [Engelhardt, 1988]). The obtained deformation can be predicted by Maxwell's tensor, and allows us to characterize the cell's mechanical behavior, in particular its elasticity [Chen, 2011]. The electrorotation and electrodeformation experiments will be carried out on a cell captured using negative dielectrophoresis, and submitted either to a rotating electric field or to an electrodeformation field inducing a compressive or tensile strain. Such an approach will not only allow to measure the mechanical rigidity of the cell, but also to determine the dielectrical properties of the cell membrane, of its cytoplasm and of its core. The targeted applications include health (determination of cancerous properties of eucaryotic cells) and energy (determination of lipid amounts produced by micro-algae). [Amatore, 2008] Chemical reviews, 108, (7), 2585-2621, 2008. [Arnold, 1988] Journal of Electrostatics, 21, (2-3), 151-191, 1988. [Chen, 2011] Journal of Micromechanics and Microengineering, 21, (5), 054012, 2011. [Engelhardt, 1988] Biophysical journal, 54, (3), 495-508, 1988. [Garnett, 1904] Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 203, (359-371), 385-420, 1904. [Lin, 2018] in proc. of microTAS, Kaohsiung, Taiwan, pp 811-815. 2018 [Nguyen Mai, 2020] in proc. of MicroTAS, (on line). 2020 [Swaminathan, 2011] Cancer research, 71, (15), 5075-5080, 2011. [Trainito, 2015] Electrophoresis, 36, (9-10), 1115-1122, 2015. 10.1002/elps.201400482: [Trainito, 2019] PloS one, 14, (9), e0222289, 2019.