Etude de comportement électrique des cellules isolées HEK293 et de leurs agrégats

par Amal El Gaddar

Thèse de doctorat en Electronique, Electrotechnique et Automatique

Le président du jury était Philippe Lévêque.

Le jury était composé de Ronan Perrussel.

Les rapporteurs étaient Mustapha Nadi, Marie-Pierre Rols.


  • Résumé

    Le travail rapporté dans ce manuscrit s’inscrit dans la perspective de mieux comprendre les propriétés électriques des tissus biologiques dans la gamme de fréquence allant de 10 kHz à 100 MHz. La connaissance de ces propriétés est essentielle pour évaluer les effets du champ électromagnétique sur le corps humain en cas d’exposition involontaire mais aussi pour diagnostiquer un changement physiologique quand le tissu est exposé volontairement. De nombreux travaux ont été effectués pour mesurer les propriétés électriques des différents tissus mais le comportement électrique relevé n’est pas toujours bien compris en raison de la complexité de la structure du tissu. De plus, on constate une grande variabilité dans les données rapportées dans la littérature. Pour mieux appréhender le comportement électrique du tissu, la démarche originale proposée dans ce manuscrit consiste à partir de l’échelle de la cellule. Ainsi la première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation électrique de cellule humaines de type HEK (Human Embryonic Kidney) par électrorotation. La mise en oeuvre de cette technique a permis d’extraire les propriétés électrique de la membrane et du cytoplasme des cellules HEK. La deuxième partie du manuscrit se focalise sur la création d’agrégats de cellules à partir de cellules HEK isolées. Deux techniques ont été essayées. La première s’appuie sur la nature des jonctions intercellulaires. Même si elle donne des résultats, cette approche n’est pas satisfaisante dans la mesure où on ne peut contrôler ni la forme ni la taille des agrégats. L’autre technique consiste à utiliser un champ électrique pour manipuler les cellules par diélectrophorèse. Un microsystème a été conçu à cet effet avec un réseau d’électrodes quadripolaires. On a ainsi pu obtenir des agrégats permanents de cellules HEK ayant une taille et une forme contrôlée. La dernière partie du manuscrit porte sur l’étude du comportement électrique des agrégats de cellules par le biais de simulations numériques de spectres d’électrorotation. La comparaison du comportement électrique d’une cellule isolée et celui d’un agrégat de cellules montre que le milieu extra cellulaire influe fortement sur la réponse électrique de l’agrégat ; la différence de taille entre les cellules de même que la présence de jonctions intercellulaires ne semblent pas avoir un impact significatif. Ces résultats de simulation devront être appuyés par des études expérimentales.

  • Titre traduit

    Study of electrical behavior of isolated HEK 293 cells and their aggregates


  • Résumé

    The work reported in this manuscript aims at understanding the electrical properties of biological tissues in the frequency range between 10 kHz and 100 MHz. Knowing these properties is essential to assess the effects of involuntary exposure of human body to electromagnetic fields, but also to diagnose a physiological change when the tissue is exposed voluntarily. Many studies have been conducted to measure the electrical properties of different tissues but existing data are not well understood because of the complexity of tissues structure. Moreover, there is considerable variability of data among studies evaluating these properties. To better understand the electrical behavior of tissues, the original approach proposed in this manuscript consists in investigating their properties starting from the cell scale. The first part of the manuscript is dedicated to the electrical characterization of HEK 293 (HumanEmbryonic Kidney) cells by electrorotation. This technique has been used to extract the electrical properties of the membrane and the cytoplasm of HEK cells. The second part of the manuscript focuses on creating cell aggregates from isolated HEKcells. Two approaches have been proposed. The first one was based on the nature of intercellular junctions. This approach led to the formation of aggregates of irregularsize and shape. The other technique consisted in using an electric field to perform dielectrophoresis-assisted cell assembly. A microsystem comprising quadrupole electrodes was designed for this purpose. Permanent aggregates of HEK cells having a controlled size and shape could be obtained using this approach. The last part of the manuscript focuses on study of the electrical behavior of the cell aggregates through numerical simulations of electrorotation spectra. The confrontation between results obtained for a single cell and those obtained for an aggregate tend to show that the extracellular medium influences strongly the electrical response of the aggregate ; Conversely, the difference in size between the cells as well as the presence of intercellular junctions does not seem to have had a notable impact. These simulation results will have to be supported by experimental studies.


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