Biomechanical study of cells in microfluidic flow : application to sorting and platelet production

par Doriane Vesperini

Thèse de doctorat en Biomécanique : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)

Sous la direction de Anne Le Goff.

Soutenue le 10-10-2018

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Biomécanique et Bioingéniérie (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude biomécanique de cellules en écoulement microfluidique : application au tri et à la production de plaquettes


  • Résumé

    Les mégacaryocytes sont des cellules de la moelle osseuse, à l’origine de la production des plaquettes sanguines. Quand elles arrivent à maturité, elles grossissent et émettent des prolongements de cytoplasme à travers la paroi des vaisseaux irriguant la moelle. Dans la circulation sanguine, ces prolongements, soumis aux forces de l’écoulement, s’allongent et se rompent pour former des plaquettes. Des techniques microfluidiques capables de produire des plaquettes in vitro existent et sont une alternative prometteuse au don. Mais le rendement reste à améliorer. Pour cela, il est nécessaire de mieux comprendre la fragmentation des mégacaryocytes en plaquettes. Ce travail de doctorat s’inscrit dans ce contexte et sera développé en deux axes principaux dans ce manuscrit. Dans une première partie nous développons une méthode pour trier des cellules en fonction de leur déformabilité, afin de savoir si les propriétés mécaniques d’un mégacaryocyte sont liées à leur stade de maturité. La méthode a d’abord été mise au point avec des microcapsules. Leurs propriétés mécaniques sont déterminées par analyse inverse à partir de la mesure de leur forme en écoulement dans des constrictions droites. Puis le dispositif utilisé a été miniaturisé pour s’adapter à la taille des cellules. Pour la caractérisation de leurs propriétés mécaniques, deux outils ont été utilisés: l’analyse inverse et la microscopie à force atomique sans pointe. Une deuxième partie porte sur l’étude de l’élongation et de la rupture de mégacaryocytes soumis écoulement. Nous avons quantifié les variations spatiotemporelles du taux d’élongation et développé un protocole d’ablation laser pour étudier les mécanismes de rupture de cellules en élongation.


  • Résumé

    When they mature in the bone marrow, the precursors of platelets, called megakaryocytes, grow and extend protrusions able to join blood circulation. There these protrusions elongate and break into platelets. Microfluidic techniques for in vitro platelet production represent a promising alternative to donation. In order to enhance platelet production and match the needs of clinical applications such as transfusion, we need to better understand the fragmentation of megakaryocytes into platelets. Our contribution will be described in this manuscript in two main axes. First, in order to know if mechanical properties of megakaryocytes can indicate their maturity stage, we develop a cell sorting method based on deformability. The method is first validated with microcapsules. Their mechanical properties are determined by inverse analysis from their shape under flow in straight microchannels. Then the device is downscaled. The characterization of cell mechanical properties are performed using inverse analysis and tipless atomic force microscopy. Second, we study megakaryocyte elongation and rupture in a microfluidic device. We quantify the spatial and temporal variations of the elongation rate and develop a laser ablation protocol to trigger and study the rupture of elongating cells.


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