Développement de dispositifs à base de polymères conducteurs pour le suivi électrique de modèles in vitro de barrières tissulaires

Development of conducting polymer devices for the monitoring of in vitro barrier tissue models

• Auteur / Autrice : Magali Ferro
• Direction : Róisín M. Owens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 03/10/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Bioélectronique
• Jury : Président / Présidente : Emilie Mamessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric André, Rodney O'Connor, Sarah Heilshorn, Andries Van der meer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilie Mamessier, Frédéric André

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sélectivité moléculaire

Semiconducteurs -- Jonctions

Transistors organique électrochimiques

Mots clés libres

Barrière tissulaire

Sélectivité ionique

Jonctions serrées

Modèle cellulaire in vitro 3D

Transistor organique électrochimique

Barrier tissue

Ionic selectivity

Tight junctions

3D in vitro cell models

Organic electrochemical transistor

Résumé

La règlementation européenne des 3Rs (Remplacer, Réduire, Raffiner) impose de diminuer le nombre d’animaux utilisé à des fins de recherches scientifiques. Elle répond à des exigences éthiques en soutenant le développement de méthodes alternatives. Dans cet objectif, les modèles cellulaires in vitro connaissent un essor important notamment grâce à la possibilité d’utiliser des cellules humaines pour reproduire des tissus ou des organes en laboratoire. Les récents progrès en micro-fabrication et techniques d’ingénierie tissulaire ont permis de se rapprocher des conditions physiologiques des tissus reproduits en évoluant notamment vers des configurations en 3-Dimension. L’intégration de techniques de caractérisation pour rendre observable les phénomènes biologiques à l’échelle cellulaire ou tissulaire est inhérente au développement des modèles in vitro notamment pour leur utilisation en toxicologie. Au cours de cette thèse, j’exploite les possibilités qu’offre le polymère conducteur PEDOT:PSS intégré dans des dispositifs électriques pour la caractérisation de barrières tissulaires. Ainsi, les transistors organiques électrochimiques (OECTs) ont été adaptés pour le développement de plateformes de caractérisation de sphéroïdes, de modèles tissulaires à l’interface air-liquide ou encore de réseaux vasculaires. Le lyophilisation du PEDOT :PSS a également permis la création d’un échafaudage 3D offrant de nouvelles perspectives pour le mélange de polymères électriquement actifs avec la matrice extracellulaire des tissus.

In vitro cell models are widely accepted platforms for toxicological studies. However starting from the 2D models, improvements are needed to reproduce the physiological environment of the tissue. Advances in tissue engineering have given rise to 3D barrier tissue models that recreate cell-cell and cell-matrix interactions. However, electrical platforms to quantify barrier tissue permeability hasn’t followed the rapid pace of models complexification. In this work I explore the possibilities to design conductive polymer-based devices adapted for the characterization of barrier tissue models. Conventional electrical tools used to evaluate integrity of barrier tissues are made of metal electrodes placed on each side of the tissue. This technology presents limitations when it comes to analyzing customized 3D tissue models due to issues in electrode size and stiffness. As an alternative option to metal electrodes, organic electronic materials have shown great promise to interface with biological tissues. In particular the Organic ElectroChemical Transistor (OECT) using PEDOT:PSS has already shown great efficiency to quantify electrical properties of barrier tissues in 2D. Thanks to microfabrication techniques they can be miniaturized and tuned to form mechanically compliant interface with a range of biological tissues. In this thesis, OECT compatibility with models such as tracheal cell culture at the air-liquid interface, spheroid models and microvessel-on-a-chip system has been tested. The achievements described in this work present significant progress in the field of in vitro platforms of barrier tissue modeling for toxicology and drug discovery testing.