Conception et réalisation d'un dispositif tridimensionnel à matrice de microélectrodes pour la mesure électrophysiologique et la détection pH d'une culture neuronale in vitro

Design and realization of a three-dimensional microelectrodes matrix device for electrophysiological measurement and pH detection of neuronal culture in vitro

• Auteur / Autrice : Asma Eddarir
• Direction : Christian Bergaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 22/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Hemeryck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Steve Arscott, Serge Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrophysiologie

Neurones

Matrices de microélectrodes

Mots clés libres

Conception

Matrice de microélectrodes

Tridimensionnel

Culture neuronale

Electrophysiologie

PH

Design

Microelectrodes matrix

Three-dimensional

Neuronal culture

Electrophysiology

PH

Résumé

Les modèles cerveaux in vitro ou les organoïdes cérébraux présentent un grand intérêt pour répliquer avec précision l'architecture et les fonctionnalités d'un tissu cérébral in vivo, ce dont les cultures cellulaires bidimensionnelle (2D) ne peuvent pas reproduire. Bien que les enregistrements électrophysiologiques à travers le réseau planaire des microélectrodes (MEA) soient une méthode courante pour évaluer l'activité neuronale d'une structure cellulaire 3D. La principale limite de cette approche réside sur le fait que seulement des mesures surfaciques sont prises en compte alors que les mesures spatiales (3D) restent inaccessibles, conduisant ainsi à des mesures et à une interprétation des données incomplète. En effet, aucun système ne permet encore un échantillonnage 3D des activités électriques neuronales. Au cours de cette thèse, nous avons conçu et fabriqué un micro-dispositif qui permet d'enregistrer l'activité électrique en 3D des cultures neuronales. Cette nouvelle stratégie technologique se présente sous la forme d'un couplage de deux micro-dispositifs : une MEA planaire afin de recueillir l'activité électrique sur un plan, et d'un implant flexible à base de Parylene C pour un échantillonnage spatial en profondeur du tissu. Ce choix s'est notamment décidé parce que nous avons acquis au cours de précédentes thèses au LAAS une méthodologie de fabrication de ces deux systèmes. Divers procédés de la microélectronique, comme la photolithographie et la gravure plasma, utilisés communément pour le développement de microsystèmes, ont été utilisés pour la conception du micro-dispositif 3D. Après le procédé de fabrication, nous avons focalisé notre étude sur les performances électriques du dispositif. L'utilisation d'électrodes micrométriques, avec un diamètre de 20 à 40 microm, permet de localiser les zones d'enregistrement à l'échelle du neurone unique. Cependant, la réduction de la taille des électrodes conduit à une augmentation de l'impédance ce qui dégrade la qualité d'enregistrement des signaux neuronaux. Ici, un polymère conducteur, le poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS), a été utilisé pour améliorer les caractéristiques électriques d'enregistrement d'électrodes de petites dimensions et obtenir un meilleur rapport signal sur bruit durant des enregistrements neuronaux. Des cultures de neurones de rongeurs ont été réalisées sur cette plateforme 3D et une activité électrique spontanée (potentiels d'action) a pu être enregistrée pendant 48 jours. Dans la seconde partie de cette thèse, nos travaux ont porté sur le suivi de l'activité métabolique dans le milieu extracellulaire. Nous avons choisi d'étudier l'intégration d'un capteur de pH dans le dispositif à matrice de microélectrodes. En effet, La possibilité de suivre ce paramètre dès les premiers stades du procédé biologique d'une culture neuronale 3D représente un avantage considérable pour un développement de tissu nerveux in vitro plus pertinent. Pour le capteur, nous avons développé une couche sensible au pH à base d'oxyde d'iridium (IrOx) électrodéposé sur or. L'influence de différents paramètres (méthode d'électrodéposition, épaisseur et nature du substrat) sur la réponse au pH de ces couches a été étudiée. Les capteurs développés présentent une bonne sensibilité au pH dans la plage de pH de 2-12, approchant la valeur de 74 mV/pH. Les tests de stabilité à long terme ont montré une dérive potentielle des micro capteurs, entraînant une imprécision de la détection du pH à long terme. En conclusion, les systèmes d'enregistrement 3D de l'activité électrique neuronale conçus au cours de cette thèse présentent des caractéristiques prometteuses pour l'échantillonnage 3D des modèles de cultures in vitro.

There has been a great deal of interest in developing 3-dimensional in vitro brain models or brain organoids that accurately replicate the in vivo architecture and functionality of brain tissue, which is limited in traditional two-dimensional (2D) cell-culture models. Although electrophysiological recordings through the planar MicroElectrodes Arrays (MEAs) are a common method of evaluating neuronal function of the 3D structures, the main limitation of this approach is that only surface measurements are possible and 3D data are not accessible, leading to inaccurate measurements. Such capability is critically important in the accurate evaluation of neuronal function in 3D cell structure models. During this PhD, we first have addressed this issue by developing a new integrated platform for measuring the neuronal activity of 3D in vitro cultures, leveraging knowledge from implantable in vivo devices developed by our group. The setup device is based on an integrated implant based on Parylene C, a flexible and biocompatible polymer, on a planar MEA glass chip that can capture network-depth electrophysiology in a 3D in vitro neural matrix. Standard microelectronic processes such as photolithography and plasma etching, usually involved in microsystems fabrication, have been used for the design of the new 3D platform. The use of the micrometer electrodes with a diameter ranging from 20 to 40 microm, provides more localized recordings at the single cell level. However, as the electrode dimensions decrease, the impedance increases affecting the quality of signal recordings. Here, we used the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythio-phene):poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS) to lower the impedance and obtain a better signal-to-noise ratio for neuron recording. Rat cortical neurons were then seeded onto the 3D device, enabling growth of suspended cells in the matrix and the formation and maturation of a neural network around the 3D parylene probe. The device supported the growth of functional neurons in 3D with action potential (spike) activity recorded over 48 days in vitro. In a second part, our work focused of monitoring the metabolic activity of neural cells by measuring the pH in the extracellular environment. We developed a microelectrode array with recording sites capable of measuring pH from nearby cells. The electrode material consisted of electrochemical deposited iridium oxide (IrOx), previously shown in the literature to be sensitive to pH. The electrochemical deposition of IrOx, has been performed through three different electrochemical routes on gold electrodes on a glass substrate. These electrodes have been fully characterized both at a macroscopic and microscopic scale. The pH electrodes exhibit good pH sensitivity in the pH range of 2-12, approaching the value of 74 mV/pH. The electrodes typically show potential drift (long-term stability), leading to inaccuracy of pH detection. We discussed the reason caused the potential drift of the IrOx electrode, the response mechanisms in saline solutions, and finally the electrode/solution interface response of the IrOx electrode was established. In conclusion, the technology described here, is an important step in facilitating noninvasive electrophysiological characterization of three-dimensional in vitro models.