Conception and fabrication of reusable microfluidic tools to study the dynamics of biological phenomena : application to antibiotic influx/efflux in bacteria and to cell migration during mouse development

par Xuan Zhao

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Charlie Gosse.

Soutenue le 07-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Bruno Le Pioufle.

Le jury était composé de Charlie Gosse, Bruno Le Pioufle, Vincent Studer, Marie-Caroline Jullien, Pierre-Henri Puech.

Les rapporteurs étaient Vincent Studer, Marie-Caroline Jullien.

  • Titre traduit

    Conception et fabrication d'outils microfluidiques réutilisables pour étudier la dynamique de phénomènes biologiques : application à l'influx / efflux d'antibiotiques dans les bactéries et à la migration des cellules pendant le développement de la souris


  • Résumé

    Nous voulons mettre en évidence et analyser les réponses de systèmes biologiques à l’introduction de perturbations et de modulations spatio-temporelles. Plus précisément, afin de développer des stratégies innovantes pour l’étude des systèmes biologiques, nous proposons d’utiliser des outils microfluidiques. Nous concevons des microsystèmes adaptés qui peuvent influer localement sur les comportements biologiques, ceci afin qu’un experimentateur macroscopique puisse contrôler l’environnement externe des objects biologiques dont l’échelle est microscopique. Cette stratégie d’ingénierie est générique et multidisciplinaire. Au cours de cette thèse, elle a été mise en œuvre dans le cadre de deux projets collaboratifs, d’une part à l’échelle de la bactérie E.coli, et d’autre part à celle de l’embryon de souris à un stade post-implantation précoce. Les objets d’étude choisis sont caractéristiques à bien des égards des champs biologiques concernés : taille, représentativité, complexité.Nous avons mis nos compétences de spécialistes en conception et en fabrication de dispositifs fluidiques au service de la ligne DISCO du synchrotron SOLEIL et de l’équipe d’embryologie de la souris de l’IRIBHM. Le nœud de mon travail a été de concevoir et fabriquer les outils microfluidiques réutilisables pour des recherches génériques, qui permettent aux biologistes de se dispenser de l’utilisation d’une salle blanche.Plus précisément, le projet de microbiologie à SOLEIL avait pour object l’étude de l’influx et l’efflux de molécules antibiotiques dans des bactéries. Pour ce faire, nous avons developpé un dispositif réutilisable pour immobiliser les microorganisms et changer leur environnement chimique pendant l’imagerie en microscopie d’epifluorescence dans l’UV. Cette étude s’effectue en utilisant deux partenaires typiques : la bactérie Escherichia coli et un médicament de la famille des fluoroquinolones. Le projet d’embryologie a reposé sur l’électroporation localisée d’acides nucléiques au sein d’embryons de souris et le suivi des migrations cellulaires. Au cours de cette thèse, nous avons développé non seulement des microdispositifs réutilisables mais aussi des protocoles expérimentaux adaptés à l’utilisation de ces instruments miniaturisés.Plus précisément, le projet de microbiologie à SOLEIL avait pour object l’étude de l’influx et lantibiotiques dans des bactéries. Pour ce faire, nous avons developpé un dispositif réutilisable pour immobiliser lesmicroorganismes et changer leur environnement chimique pendant l’imagerie en microscopie d’épifluorescence dans l’UV.Cette étude s’effectue en utilisant deux partenaires typiques : la bactérie E. coli et un médicament de la famille desfluoroquinolones. Le projet d’embryologie a reposé sur l’électroporation localisée d’acides nucléiques des embryons desouris et le suivi des migrations cellulaires.


  • Résumé

    We want to analyze the responses of biological systems to the introduction of perturbations and spatio-temporal modulations. More specifically, in order to develop innovative strategies for the study of biological systems, we propose to use microfluidic tools. We design adapted microsystems that can locally influence biological behaviors, so that a macroscopic experimenter can control the external environment of biological objects whose scale is microscopic. This engineering strategy is generic and multidisciplinary. In this thesis, it has been implemented in two collaborative projects, on one hand, on the scale of the E.coli bacterium and on the other hand on that of the embryo of mouse at an early stage post-implantation. The selected study objects are characteristic in many respects of the biological fields concerned: size, representativeness, complexity.We extended our expertise in fluidic device design and manufacturing to the service of the DISCO beamline of the synchrotron SOLEIL and the IRIBHM mouse embryology team. The key point of my work has been to design and manufacture reusable microfluidic tools for generic research, which allow biologists to dispense with the use of a clean room.More precisely, the project of microbiology at SOLEIL had for object the study of the influx and the efflux of antibiotic molecules in bacteria. To do this, we have developed a reusable device for immobilizing microorganisms and changing their chemical environment during UV imaging on epifluorescence microscopy. This study is carried out using two typical partners: the Escherichia coli bacterium and a drug from the fluoroquinolone family. The embryology project relied on the localized electroporation of nucleic acids within mouse embryos and the monitoring of cellular migrations.In this thesis, we have developed not only reusable micro-devices but also experimental protocols adapted to the use of these miniaturized instruments.More precisely, the microbiology project at SOLEIL focused on the influx and the efflux of antibiWe have developed a reusable device for immobilizing those microorganisms and changing their chemical environmentduring UV imaging on an epifluorescence microscopy. This study was carried out using two typical partners: thebacterium and a drug from the fluoroquinolone family. The embryology project relied on the localized electroporation ofnucleic acids into mouse embryos and the monitoring of cell migrations.


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