Biocapteurs implantables pour un monitorage intracérébral minimalement invasif

Implantable biosensors for minimally invasive intracerebral monitoring

• Auteur / Autrice : Charles Chatard
• Direction : Daniel Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie pour le vivant
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Nicole Jaffrezic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Barbier, Nicole Jaffrezic, Stéphane Arbault, Pierre Temple-Boyer, Manon Guille-Collignon, Stéphane Marinesco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Arbault, Pierre Temple-Boyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

BioMEMS

Analyse par microsonde

Mots clés libres

Biosciences

Biocapteur

Biocompatibilité

Miniaturisation

Electrochimie

Optique

Fluorescence

Microsonde

Mems

In vivo

Rat

Biosciences

BioSensor

Biocompatibility

Miniaturization

Electrochemistry

Optics

Fluorescence

Microprobe

MEMS - Micro Electro Mechanical System

In vivo

Rat

Résumé

Le fonctionnement du cerveau repose sur la libération de molécules telles que les neurotransmetteurs et les métabolites dans le milieu interstitiel. L’étude de ces molécules est donc primordiale afin de mieux comprendre leur rôle physiologique et pathologique. Pour cela, les biocapteurs enzymatiques implantables sont un outil prometteur de par leurs capacités de détection quantitative, en temps réel et dans les tissus profonds. En fonction des dimensions du biocapteur, l’impact de l’implantation peut avoir des conséquences considérables sur la composition chimique du fluide interstitiel. De plus, chaque implantation induit localement une réaction inflammatoire dite « réaction au corps étranger ». La réduction de ces réactions est indispensable afin d’obtenir des estimations plus précises de la concentration des molécules présentes. Dans ce sens, ce manuscrit exposera deux voies de réduction de l’impact lésionnel dû à l’implantation de biocapteurs. Tout d’abord, il sera présenté la miniaturisation de biocapteurs enzymatiques jusqu’à des diamètres externes inférieurs à 15 µm. Et il sera démontré in vivo que ces biocapteurs ultra miniaturisés ont le potentiel d’être implantés dans le cerveau sans induire de dommages détectables aux tissus et aux vaisseaux sanguins. Ensuite, le développement d’une microsonde fabriquée à l’aide des technologies MEMS couplant une détection électrochimique et optique sera introduit dans le cadre du suivi du fluide interstitiel péri- et intratumoral de glioblastomes modifiés pour émettre de la fluorescence. En intégrant deux types de détection sur une unique micro-aiguille, cette microsonde permet de réduire le nombre d’implantations. Ces deux voies de miniaturisation ouvrent la possibilité de suivre la composition chimique du fluide interstitiel de manière moins invasive, et donc de mieux préserver la physiologie des tissus étudiés dans le cerveau.

Brain function is based on the release of molecules such as neurotransmitters and metabolites into the interstitial fluid. The study of these molecules is essential to better understand their physiological and pathological role. For this purpose, implantable enzymatic biosensors are a promising tool because of their quantitative, real-time and deep tissue detection abilities. Depending on the dimensions of the biosensor, the impact of implantation may have considerable consequences on the chemical composition of the interstitial fluid. In addition, each implantation induces a local inflammatory reaction called "foreign body reaction". The reduction of these reactions is crucial in order to provide more accurate estimations of molecules concentrations present in the interstitial fluid. In this sense, this manuscript will expose two ways of reducing the lesional impact due to the implantation of biosensors. First of all, it will be presented the miniaturization of enzymatic biosensors up to external diameters less than 15 µm. And it will be demonstrated in vivo that these ultra miniaturized biosensors have the potential to be implanted in the brain without inducing detectable damage to tissues and blood vessels. Then, the development of a microprobe fabricated using MEMS technologies combining electrochemical and optical detection will be introduced as part of the monitoring of peri- and intratumoral interstitial fluid from glioblastomes modified to fluoresce. By integrating two types of detection on a single micro-needle, this microprobe reduces the number of implantations. These two miniaturization approaches open up the possibility of following the chemical composition of the interstitial fluid in a less invasive way, and thus of better preserving the physiology of the tissues studied in the brain.