Study of cell membrane permeabilization induced by pulsed electric field – electrical modeling and characterization on biochip

par Claudia Trainito

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bruno Le Pioufle.

  • Titre traduit

    Etude de la permeabilisation d’une membrane cellulaire par un champ électrique pulsé développement d’une modélisation électrique – caractérisation sur biopuces à cellules


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, de nouvelles méthodologies basées sur l’utilisation du champ électrique pour agir ou caractériser les cellules ou les tissus cellulaires génèrent de nombreuses avancées et apportent des nouvelles promesses dans les laboratoires de recherche et dans l'industrie : diagnostic de cancer, ElectroChimioThérapie (insertion d’un médicament en perméabilisant les membranes des cellules), thérapie génique (insertion d’un gène thérapeutique), immunothérapie (vaccins anti-tumoraux obtenus par électrofusion de cellules dendritiques et cellules cancéreuses pour réactiver le système immunitaire).L’application d’ impulsions électriques à des cellules ou dans des tissus cellulaires induit un changement sur leurs propriétés, en particulier sur leurs membranes qui deviennent transitoirement perméables, laissant temporairement le passage aux ions et macro-molécules. Les phénomènes induits lors d’une perméabilisation par application de champ électrique ont été partiellement caractérisés en microscopie epi-fluorescence. Pour effectuer un suivi en temps réel de la dynamique du processus de l’électroperméabilisation, une voie prometteuse consiste à caractériser électriquement l’échantillon. Dans cet objectif, mon travail de thèse consiste à mettre en oeuvre le suivi en temps réel de l’évolution des caractéristiques électriques sur une large bande de fréquences d’un tissu cellulaire ou d’une cellule isolée, avant, pendant et après la sollicitation par un champ électrique pulsé.Dans le cadre de ma thèse un modèle du système biologique et de son environnement a été élaboré, afin de mieux décrire des phénomènes observés expérimentalement: effet des sollicitations électriques sur la viabilité cellulaire, sur la perméabilité de la membrane externe, effets induits sur les composés intracellulaires, dynamique de fusion membranaire. Le degré de perméabilisation de l’objet biologique (cellule ou tissu) dépend de manière fortement non-linéaire de nombreux paramètres, ce qui rend complexe l’élaboration de ce modèle et son interprétation. La détection de ce niveau de perméabilisation est effectuée en temps réel (mesure du niveau de perméabilisation avant, pendant et après l’application de l’impulsion électrique). In fine cette approche devrait permettre d’optimiser le taux de perméabilisation cellulaire en fonction de l’application considérée. Ce système de contrôle individuel du niveau de perméabilisation cellulaire pourrait à terme être parallélisé massivement sur une puce dédiée à l’électroporation d’un grand nombre de cellules. Afin d’avoir une vision multi-échelle des effets, l’étude a été menée sur plusieurs modèles expérimentaux: qui vont du tissu (échelle millimétrique) à la cellule unique, en passant par les échelles intermédiaires (caractérisation de spéroides cellulaires).Dans ces deux derniers cas (sphéroide, cellule unique) l’objet biologique est isolé dans une biopuce microfluidique équipée d’électrodes de mesure et d’application du champ (échelle micrométrique).Les micro-dispositifs que j’ai réalisé pour caractériser en temps réel la perméabilisation de cellules, intègrent une géométrie spécifique d’électrodes, ainsi que d'un réseau de canaux microfluidiques pour contrôler le débit de cellules Le degré de miniaturisation de ces puces permet de travailler au niveau de la cellule unique, et appliquer des champs électriques de forte amplitude, de forte fréquence, localisés spatialement.


  • Résumé

    The increasing interest for new methodologies based on the use of the electric field to characterize the cells or tissue cells and generate brought promising development in research laboratories and industry: cancer diagnosis, electrochemotherapy (insertion of a drug after cell membranes permeabilization), gene therapy (insertion of a therapeutic gene), immunotherapy (anti-tumor vaccines obtained by electrofusion of dendritic cells and cancer cells to activate the immune system).The application of electrical pulses to cells or cell tissues induces a change in their properties, in particular on their membranes which become transiently permeable, and temporarily allow the passage of ions and macromolecules. Effect linked to the permeabilization phenomenon have been partially characterized by epi-fluorescence microscopy. Nevertheless, in order to perform the real-time monitoring of the electroporation process and know its dynamics, the electrical sample characterization is employed. Thus the aim of this work is to implement a real-time monitoring of dielectrical characteristics changes, on a wide frequency range, of a cellular tissue or a single cell, before, during and after the pulsed electric field application.As part of my thesis a model of the biological system has been developed to better describe the phenomena observed experimentally: effect of electrical stress on cell viability, on the permeability of the outer membrane, induced effects on the intracellular compounds, dynamics of membrane fusion.The degree of permeabilization of the biological sample (cells or tissues) is non linearly dependent of several parameters, which makes complicated the development of the model and its interpretation.The detection of a specific level of permeabilization is done in real time (measure of the level of permeabilization before, during and after the electric pulses application). This cell permeabilization level control could eventually be parallelized on a chip dedicated to the electroporation of a large number of cells. The latter can be used to optimize the electric pulses parameters in order to reach the desired permeabilization level. In order to have a multi-scale overview of the phenomenon, the study was performed on different size-level: from the tissue level (millimeter scale) to the single cell model through the intermediate scales (cell spéroides characterization).In the latter two cases (spheroid, single cell) the biological sample is isolated in a microfluidic biochip where the electric field solicitation are applied (micrometer scale).The microdevice designed and fabricated during this work, allows the real time characterization of the cell permeabilization. Furthermore the miniaturization of the system is crucial to work at the level of the single cell, and make possible the application of electrical fields of high amplitude, high frequency and spatially localized.


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