Microfluidique pour manipuler et étudier des membranes biomimétiques

Microfluidics to characterize and manipulate biomimetic membranes

• Auteur / Autrice : Marianne Elias
• Direction : Pierre Joseph, Debora Berti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 25/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Università degli Studi di Firenze
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Membranes lipidiques

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Membranes lipidiques

Nanoparticules

Aspiration par micropipette

Vésicules géantes unilamellaires

Microfluidics

Lipid membranes

Nanoparticles

Micropipette aspiration

Giant unilamellar vesicles

Résumé

Les propriétés mécaniques de la membrane cellulaire contrôlent de nombreux processus biologiques. Les vésicules unilamellaires géantes (GUV) sont une approche facile pour reproduire la membrane cellulaire. L'aspiration par micropipettes est une technique bien connue utilisée pour caractériser leurs propriétés mécaniques, bien qu'elle implique une expérimentation de longue durée pour une mesure et une configuration complexe. Nous avons développé des plates-formes microfluidique visant à intégrer l'aspiration par micropipettes. Un avantage crucial de l'approche la plus avancée que nous avons mise en place est la flexibilité en termes de forme que nous pouvons fabriquer (en particulier forme de piège cylindrique). Cette approche permet également de multiplexer des micropipettes, offrant des mesures à haut débit, et enfin la possibilité de fabriquer les éléments composant la micropipette par centaines à la fois. Nous avons d'abord pu caractériser des compositions lipidiques simples telles que DOPC, POPC et Brain SM, dont les modules de courbure et d'étirement étaient en très bon accord avec les valeurs rapportées dans la littérature. Nous avons également caractérisé l'effet du cholestérol sur les membranes DOPC : le cholestérol augmentait le module d'étirement de la membrane DOPC mais n'affectait pas son module de courbure, rendant ainsi la membrane plus rigide. De plus, nous avons caractérisé la membrane DOPC contestée avec des nanoparticules de copolymères, généralement utilisées pour l'administration de médicaments. Ces nanoparticules ont induit un ramollissement de la membrane, qui pourrait être dû à l'effet de perméabilisation des NP sur la membrane, ou à leur insertion dans les membranes provoquant des défauts. Cette méthode étant polyvalente, en changeant la forme de la micropipette cylindrique en une section transversale permettant de piéger les GUV avec un écoulement résiduel autour d'elle, nous avons pu avoir une caractérisation préliminaire de l'effet de l'écoulement sur la fluidité des membranes. Enfin, nous avons adapté la taille de la micropipette afin de caractériser les propriétés viscoélastiques des sphéroïdes, agrégats de cellules cancéreuses 3D. Nous avons caractérisé la viscosité des cellules cancéreuses du pancréas et démontré qu'elle est indépendante de la taille des sphéroïdes.

The mechanical properties of the cell's membrane control many biological processes. Giant Unilamellar vesicle (GUV) are an easy approach to reproduce cells membrane. Micropipette aspiration is a well-known technique used to characterize their mechanical properties, though it involves long time experimentation, and huge set up. Here we present a microfluidic platform that reproduce micropipette aspiration especially by its cylindrical trap form. The main advantage is the flexibility in terms of the shape we can fabricate, as well as the multiplexing micropipette, offering high throughput measurements and finally the ability to fabricate the elements composing the micropipette by hundreds at a time. We were able first to characterize simple lipid compositions such as DOPC, POPC and Brain SM, whose bending and stretching moduli are in very good agreement with the values reported in the literature. We also characterized the effect of cholesterol on DOPC membranes: cholesterol does increase the stretching modulus of DOPC membrane but does not affect its bending modulus, making therefore the membrane stiffer. Moreover, we characterized DOPC membrane challenged with co-polymers nanoparticles which are usually used for drug delivery and which showed a softening in the membrane which could be due to the permeation effect of the NP on the membrane. As this method is versatile, by changing the shape of the cylindrical micropipette to a cross section which allows the GUVs to be trapped with a residual flow around it, we were able to have a preliminary characterization of the effect of flow on the membranes' fluidity properties. Finally, we adapted the size of the micropipette in order to characterize the viscoelastic properties of spheroids made of cancer cells. We characterized the viscosity of pancreatic cancer cells and demonstrated that it is independent on the spheroids size.