Micro-aimants permanents auto-organisés pour l'isolation de Cellules Tumorales Circulantes dans un dispositif microfluidique

Self-assembled permanent micro-magnets for the isolation of Circulating Tumor Cells in a microfluidic device

• Auteur / Autrice : Lucie Descamps
• Direction : Anne-Laure Deman, Damien Le Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie pour le vivant
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Rosaria Ferrigno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jaap M. J. den Toonder, Bruno Le Pioufle, Camille Raillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jaap M. J. den Toonder, Bruno Le Pioufle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Substances magnétiques

Composites polymères

Microfluidique

Cellules tumorales circulantes

Mots clés libres

Composites polymères magnétiques

Micro-Aimants

Magnétophorèse

Cellules tumorales circulantes

Séparation immunomagnétique

Sélection négative

Dispositifs microfluidiques

Magnetic polymer composites

Micro-Magnets

Magnetophoresis

Circulating tumor cells

Immunomagnetic separation

Negative selection

Microfluidic devices

Résumé

Les cellules tumorales circulantes (CTCs) ont suscité une attention particulière au fil des années en raison du potentiel de leur utilité clinique. L’isolation des CTCs directement à partir du sang (biopsie liquide) s’inscrit dans le développent d’une médecine personnalisée du cancer. Les dispositifs microfluidiques sont apparus comme des outils prometteurs pour isoler les CTCs car ils permettent entre autres une manipulation précise des cellules. Dans cette thèse, nous avons développé un dispositif microfluidique intégrant des réseaux denses de micro-aimants permanents dans le but d’isoler des CTCs viables à partir de sang total et permettre ainsi leur caractérisation ultérieure. Nous avons présenté une approche de fabrication originale, basée sur les composites polymères magnétiques, rompant avec les techniques de microfabrication standards. Les micro-aimants ont été obtenus en mélangeant des particules magnétiques de NdFeB avec une matrice PDMS, ces dernières s’auto-organisant sous l’action des interactions dipolaires. Leur caractérisation a permis de mettre en avant leur microstructure allongée et la génération de forces magnétiques allant jusqu'à plusieurs nanoNewtons à leur surface. Les micro-aimants, agissant comme des micro-pièges, ont été mis en oeuvre pour l’isolation des CTCs (modélisées par des lignées cellulaires) en effectuant une déplétion des globules blancs. Nous avons étudié les performances de piégeage et de récupération du dispositif, et démontré sa compatibilité avec des analyses biologiques de routine. Enfin, le dispositif magnétophorétique a été combiné à une technologie de séparation basée sur la taille pour obtenir des échantillons d’une grande pureté, répondant ainsi aux besoins des praticiens.

Circulating tumor cells (CTCs) have received significant attention over years for their potential clinical significance. The isolation of CTCs directly from blood, as a liquid biopsy, could be used for early cancer diagnosis, patient outcome prognosis, and treatment efficacy monitoring, paving the way for personalized cancer medicine. Microfluidic devices have emerged as promising tools to isolate CTCs since they offer precise cell manipulation, versatile functions, and cost-effective fabrication. In this thesis, we developed a microfluidic device integrating dense arrays of permanent micro-magnets that can isolate viable and pure CTCs from whole blood for downstream characterization. We reported an original fabrication approach, based on magnetic polymer composites, breaking with standard microfabrication techniques. Micro-magnets were obtained by microstructuring a mixture of NdFeB microparticles and PDMS, which leads to the self-organization of magnetic particles due to dipole-dipole interactions. We further characterized the micro-magnets, which revealed a high aspect ratio structure and generated magnetic forces up to several nanoNewtons at their surface. The micro-magnets, acting like micro-traps, were implemented for CTC isolation by performing white blood cell depletion. We used cancer cell lines (A549, MCF-7) as CTC models and demonstrated their successful recovery, while preserving their viability for subsequent analyses, including cell culture, phenotypic and genotypic studies. Finally, the magnetophoretic device was combined with a size-based separation technology to achieve high purity, therefore meeting the needs of clinicians.