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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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9documents trouvés

18430
06/11/2018

Isolement de biomarqueurs cellulaires et moléculaires en oncologie et développement d'approches bas-coût pour leur analyse en routine clinique

A.ESTEVE

ELIA

Doctorat : INSA de Toulouse, 6 Novembre 2018, Président: C.VIEU, Rapporteurs: T.LEBLOIS, F.BERGER, Examinateurs: A.PRADINES, P.SAINTIGNY, Directeurs de thèse: A.CERF , N° 18430

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02137643

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Résumé

Le cancer est une pathologie complexe, qui se décline en une multitude de sous-types, faisant de chaque patient atteint de cancer, un cas clinique unique. La médecine de précision ou médecine personnalisée a pour objectif de proposer au patient un traitement et un suivi thérapeutique adaptés aux caractéristiques biologiques de la tumeur qui l’affecte. L’analyse de certains facteurs immunologiques et du profil moléculaire de la tumeur sont couramment effectués sur des prélèvements tissulaires, ou biopsies solides, permettant aux cliniciens d’obtenir des informations sur les spécificités de la tumeur mais aussi sur le microenvironnement dans lequel elle se développe, pour choisir la thérapie la plus adaptée. Une approche médicale moins invasive appelée « biopsie liquide », suscitant de plus en plus d’intérêt au sein de la communauté scientifique, pourrait permettre d’obtenir des informations plus précises avec un échant! illonnage plus répété, à partir de biomarqueurs tumoraux ou issus de la tumeur circulant dans les fluides corporels. Ces biomarqueurs peuvent être de différentes natures, comme les cellules tumorales circulantes (CTCs), des cellules s’étant détachées de la tumeur pour rejoindre la circulation sanguine, l’ADN tumoral circulant (ADNtc), des fragments d’ADN libérés par la tumeur, ou les exosomes, des vésicules produites principalement par des cellules de la tumeur contenant des protéines et de l’ADN tumoral. La détection et l’analyse de ces biomarqueurs en routine clinique pourraient permettre le suivi en temps réel de l’efficacité des thérapies pour améliorer la prise en charge des patients, un pas de plus vers une médecine personnalisée. L’objectif de ce travail a été de développer de nouveaux micro-dispositifs pour la capture de cellules tumorales circulantes, ainsi que d’explorer un ensemble de techniques pour faciliter leur analyse a! ux niveaux cellulaire et moléculaire, en vue d’une utilisat! ion en routine clinique. Dans un premier temps, une approche innovante de capture des CTCs in vivo, exploitant leurs propriétés physiques spécifiques a été envisagée. La capture directement au sein de la circulation sanguine du patient, pourrait permettre de sonder un volume plus important et ainsi isoler un plus grand nombre de CTCs en conditions natives ainsi que d’obtenir une meilleure représentation de leur diversité. Des techniques visant à simplifier et diminuer le coût des analyses, ont ensuite été explorées de manière à rendre la biopsie liquide utilisable en routine clinique. Parmi ces techniques, l’assemblage capillaire dirigé, utilisé pour étirer et immobiliser de façon organisée des biomolécules 1D, a également permis d’isoler des fragments d’ADN libre circulant, à partir d’échantillons de sang complet non traités. Dans le contexte de la médecine de précision, une autre approche peut être de tester les effets d’un certain ! nombre de médicaments sur les CTCs provenant du patient-même, de manière à personnaliser son traitement. Pour cela, après capture des CTCs, il peut être intéressant de les cultiver in vitro. C’est dans cette perspective que nous avons intégré les micro-dispositifs de capture à des plateformes qui permettraient la culture des cellules capturées directement in situ. Pour recréer un environnement propice à leur prolifération, la structuration de matériaux biocompatibles à base de nano-cristaux de cellulose favorisant l’adhésion des cellules a été investiguée. Nos résultats fournissent un ensemble de technologies qui pourraient contribuer à la démocratisation du concept de biopsie liquide en routine clinique.

Mots-Clés / Keywords
Microfabrication; Biomarqueurs; Oncologie;

145755
18539
04/10/2018

Dispositifs fluidiques 3D pour l'étude de la migration cellulaire des macrophages

E.DESVIGNES

ELIA

Doctorat : INSA de Toulouse, 4 Octobre 2018, 138p., Président:, Rapporteurs: A.VIALLAT, E.PLANUS, Examinateurs: M.DE VITTORIO, C.MOOG-LUTZ, Directeurs de thèse: C.VIEU , N° 18539

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02024341

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Abstract

Au cours des deux dernières décennies, des études ont été réalisée pour mesurer les forces mécaniques exercées par des cellules vivantes sur leur environnement. Cela a conduit au développement de diverses techniques ingénieuses qui ont principalement été réalisées pour comprendre la façon dont les cellules exercent des forces pendant leur migration sur des substrats bidimensionnels (2D). Cependant, in vivo, les cellules migrent à travers des environnements tridimensionnels (3D) et les mécanismes utilisés pour migrer en 3D diffèrent significativement de ceux de la migration 2D. A titre d'exemple, les cellules confinées en 3D rencontrant des constrictions ont besoin de déformer leur noyau, leur organelle le plus grand et le plus rigide. En 2D, les noyaux ne sont pas des facteurs limitants pour la migration. Il est donc nécessaire de développer des outils pour comprendre comment les cellules migrent en 3D. En particulier, des études doivent être menées pour déterminer comment les cellules appliquent des forces en fonction du niveau de confinement auquel elles se trouvent confrontées. Pour répondre à cette question difficile, nous avons développé deux types de micro-dispositifs. Tout d'abord, nous avons conçu et fabriqué un dispositif de microfluidique pour étudier les forces générées par les cellules pendant une migration confinée. Ce dispositif est constitué de microcanaux de dimensions contrôlées équipés de micropiliers, servant de capteurs de forces .Ces capteurs de forces présentent une sensibilité de l’ordre de 70 pN. Nous avons ensuite introduit dans le dispositif des macrophages humains, cellules du système immunitaire, à l'intérieur du dispositif et évalué la flexion des micropiliers engendrée par les forces cellulaires appliquées lors de leur migration. Grâce au développement d’un algorithme permettant l’analyse des images, nous avons pu évaluer les forces générées dans différentes zones cellulaires et révéler que les cellules redirigent les forces de pression de l'intérieur vers l'extérieur lorsque le degré de confinement augmente. Cette observation suggère un mode de migration très spécifique lié au confinement spatial qui est basé sur l’appui sans adhésion sur les obstacles de l’environnement. Dans un deuxième temps nous avons fabriqué des réseaux tri-dimensionnels obtenus par une méthode de lithographie bi-photonique 3D. Les motifs de ces réseaux possèdent des dimensions caractéristiques de l'échelle cellulaire (1-10 μm) et sont composés de poutres suspendues qui peuvent être courbés par les cellules vivantes qui migrent au sein du treillis tri-dimensionnel. En enregistrant une séquence vidéo des déformations de l'échafaudage, nous pouvons étudier l'activité mécanique de la cellule dans l'espace et le temps pendant sa migration 3D. Nos résultats montrent que les macrophages sont capables de pénétrer dans des réseaux de géométrie cubique lorsque la période du réseau est supérieure à 5 μm et que le support de migration lui-même peut être utilisé comme capteur pour mesurer les forces exercées par les cellules. Grâce à la mesure de la rigidité du matériau constituant le treillis 3D et des modélisations de la déformation élastique de la structure 3D, nous avons pu évaluer que la contrainte mécanique globale qu’exerce un macrophage sur son microenvironnement est de l’ordre de 500 kPa. Grâce à la combinaison de la microfabrication, l'imagerie cellulaire et l'analyse automatisée des images, nous sommes parvenus à quantifier les efforts mécaniques cellulaires mis en jeu lors de la migration de macrophages humains au sein d’environnements confinés et nous mettons ainsi en lumière la mécanique spécifique des cellules migrant en 3D.

146395
18336
21/09/2018

Engineered micro-devices for the isolation of circulating tumor cells in clinical routine

A.K.JIMENEZ ZENTENO

ELIA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 21 Septembre 2018, 190p., Président: J.GRISOLIA, Rapporteurs: E.DELAMARCHE, J.R.GREER, Examinateurs: C.PICART, S.VERBRIDGE, U.DEMIRCI, Directeurs de thèse: C.VIEU, A.CERF , N° 18336

Lien : https://hal.laas.fr/tel-02137588

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Résumé

Les cellules tumorales circulantes (CTCs) sont la principale voie de dissémination du cancer dans le corps humain au travers de la circulation sanguine. Ces cellules ont la capacité de se détacher de la tumeur primaire, de rejoindre la circulation sanguine et de survivre dans cet environnement. Une sous-population spécifique de ces cellules a la capacité de coloniser de nouveaux tissus et de former des métastases. L'importance de ces cellules rares dans la circulation sanguine a été intensément étudiée au cours des dernières décennies, et il a été constaté que les informations phénotypiques et génomiques qu'elles contiennent pourraient être corrélées avec celles obtenues à partir d'une biopsie tissulaire. De plus, le nombre et l'incidence des CTC chez les patients métastatiques pourraient être utilisés comme indicateurs pronostics. Ainsi, leur isolement à partir d'échantillons sanguins et leur analyse a été proposé en remplacement des biopsies conventionnelles, comme une alternative moins invasive et permettant un échantillonnage plus répété. In fine, la détection et l'analyse des CTC en routine clinique pourraient être utilisées pour le suivi en temps réel des thérapies et de leur efficacité pour améliorer la prise en charge des patients, un pas de plus vers une médecine de précision. Dans ce projet de thèse, nous avons développé de nouveaux micro-dispositifs pour la capture, sous flux, de cellules cancéreuses à partir de sang complet humain. Nous avons exploité les propriétés physiques des CTC, plus grandes et moins déformables que les cellules sanguines normales, pour discriminer ces cellules rares (<1 cellule par mL aux premiers stades de la maladie). Des micro-dispositifs ont été conçus tels des tamis à trois dimensions pour filtrer sélectivement les cellules cancéreuses tout en préservant l'intégrité et la viabilité des cellules. De plus, les dispositifs ont été conçus pour permettre l'accès au matériel biologique isolé et effectuer ainsi une identification des cellules in situ, e.g. par immunocytochimie, mais aussi potentiellement pour servir de plateforme pour une analyse fonctionnelle de ces cellules. Nous avons proposé deux approches totalement compatibles avec la routine clinique. La première consiste en un guide équipé de microdispositifs, conçu pour être introduit directement dans la circulation sanguine au travers d'un cathéter médical et effectuer la capture des cellules cancéreuses in vivo. La deuxième approche vise à réaliser l'isolement des CTCs en utilisant des microdispositifs intégrés à des plateformes ex vivo compatibles avec les consommables médicaux de prélèvement sanguin. Les deux développements technologiques ont été validés en utilisant des cellules issues de lignée cancéreuse en suspension dans un milieu de culture cellulaire ou dans du sang complet Notre approche in vivo a été optimisée sur la base d'observations réalisées à l'aide d'un banc fluidique mimant une veine artificielle et a été testée avec succès in vivo dans un modèle animal. Ce prototype a démontré sa robustesse et sa capacité à capturer des cellules cancéreuses à des concentrations proches des concentrations en situation métastatique. Une évaluation de la sensibilité a été réalisée de la même manière pour l'approche ex vivo, démontrant des performances de capture analogues. Nous croyons que ces technologies pourraient permettre des prélèvements de CTC de manière répétée et fiable pour le pronostic et le suivi thérapeutique des patients métastatiques.

Abstract

Circulating tumor cells (CTCs) are believed to represent the main pathway of cancer dissemination in the human body through the circulatory system. These cells have the ability to detach from the primary tumor, enter into the bloodstream, and survive in this environment. A specific subpopulation of these cells possesses the capacity of colonizing new tissues and forming metastases. The relevance of these rare cells in the bloodstream has been intensively investigated during the last decades, finding that phenotypic and genomic information they carry could be correlated with that of solid biopsies. Moreover, the number and incidence of CTCs in metastatic patients could be used as an indicator for prognosis. Thus, their isolation from blood samples and analysis has been proposed as a surrogate to solid biopsies, having the added value of being a less invasive procedure and allow a more repeated measure. In fine, the routine analysis of CTCs in clinical practice could be used for the real-time monitoring of therapies and the adaptation of treatment in order to improve the outcome of patients, a step forward towards so-called precision medicine. In this PhD project, we have developed novel micro-devices for the capture, in flow conditions, of tumor-derived cells from human whole blood. CTCs being larger and less deformable than normal blood cells, we exploited theses physical traits to discriminate them. Sieve-like micro-devices were engineered to selectively sort out tumor-derived cells having as a priority the preservation of cell integrity and viability. In addition, devices were designed to allow direct access to the isolated biological material and thus perform in situ cell identification, such as immunocytochemistry, but also to potentially serve as a platform for functional analysis. We proposed two approaches compatible with clinical routine. The first approach consists in a customized guiding-strip equipped with integrated microfilters, designed to be introduced directly within the bloodstream through a conventional medical catheter to perform the capture of tumor-derived cells in vivo. The second approach aims to perform CTC isolation ex vivo through the integration of microfilters into a platform compatible with blood collection medical sets. Both technological developments were validated using a cancerous cell line suspended in either cell culture medium or whole blood. Our in vivo approach was optimized using a customized fluidic bench mimicking an artificial human vein and was tested successfully in an animal model. This prototype demonstrated its robustness and capability to capture tumor-derived cells in concentrations within the range found in metastatic patients. This sensitivity appraisal was carried out for the ex vivo approach, demonstrating analogous capture performances. We believe that these technologies could enable repeated and reliable CTC detection for prognosis and monitoring of treatment efficiency in metastatic patients.

Mots-Clés / Keywords
Liquid-biopsy; CTCs; Cancer-monitoring; Microfabrication; Microfiltration; 3D-microdevices; Biopsie liquide; Surveillance du cancer; Microdispositifs 3D;

144953
18379
31/01/2018

Microenvironnements pour l’analyse biologique et l’ingéniérie des tissus

L.MALAQUIN

ELIA

Habilitation à diriger des recherches : 31 Janvier 2018, 149p., Président:, Rapporteurs: M.C.JULLIEN, S.LEGAC, C.NIZAK, Examinateurs: O.FRANCAIS, L.CASTEILLA, Directeur: G.LANDA, Membre invité: C.VIEU , N° 18379

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01942805

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Résumé

Au sein des tissus vivants, les cellules forment une communauté organisée et en interaction dans d’une matrice extra cellulaire. De ce microenvironnement cellulaire, naissent les mécanismes responsables de l’homéostasie ou de la dégénérescence des tissus qui sont étroitement liés à la topologie ainsi qu’à la distribution spatiale des propriétés physico-chimiques et biologiques. Ainsi, la fabrication de modèles mimétiques permettant de reproduire, en trois dimensions, les paramètres physiques et chimiques essentiels du microenvironnement, est devenu un enjeu majeur en biologie et en médecine. Dans cet objectif, les technologies microfluidiques et de bioimpression apparaissent comme des outils particulièrement performants pour créer des modèles de microenvironnements propices à la manipulation de liquides biologiques, à leur traitement à des fins d’analyse ou d’étude de la prolifération cellulaire. Cette soutenance sera dédiée, dans un premier temps, à une présentation des projets de recherches menés au sein de l’institut Curie puis au sein du LAAS CNRS autour du développement de de concepts microfluidiques pour la réalisation de dispositifs miniaturisés d’analyse (pré-concentration, capture et analyse de biomarqueurs et de cellules) ou de diagnostic cellulaire (capture de cellules tumorales circulantes, analyse génétique). Dans un deuxième temps seront présentées les évolutions de ces activités de recherche vers le développement de modèles standardisés de microenvironnements cellulaires sur la base de technologies d’impression 3D et de bioimpression.

145273
17452
28/11/2017

Functionalized double-walled carbon nanotubes for integrated gas sensors

L.YANG

ELIA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 28 Novembre 2017, 145p., Président: K.ARAUJO-GUERIN, Rapporteurs: C.DEJOUS, M.ARAB, Examinateurs: G.VIAU, Directeurs de thèse: V.VIEU, E.FLAHAUT , N° 17452

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01675535

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Résumé

Nous proposons dans ce travail une méthode robuste et bas-coût afin de fabriquer des détecteurs de gaz à base de Nanotubes de Carbone bi-parois (DWCNTs) chimiquement fonctionnalisés. Ces nano-objets (DWCNTs) sont synthétisés par dépôt catalytique en phase vapeur (CCVD), puis purifiés avant d’être oxydés ou bien fonctionnalisés par des terminaisons fluorées ou aminées. Les dispositifs de détection électriques ont été fabriqués par lithographie douce en utilisant un pochoir de PDMS (Poly-DiMethyl Siloxane) et un dépôt en phase liquide à la pipette d’une suspension aqueuse contenant les nanotubes fonctionnalisés, rinçage puis séchage à l’azote sec. Chaque dispositif (1 cm X 2 cm) est équipé d’un jeu de 7 résistors à base de DWCNTs. Chaque résistor peut accueillir des nanotubes fonctionnalisés par une entité chimique différente afin de cibler un gaz spécifique, permettant ainsi une détection multiplexée. En raison de leur faible encombrement et la possibilité de les fabriquer sur tout type de substrat y compris des substrats souples, ces détecteurs pourraient être utilisés pour une large gamme d’applications et notamment les détecteurs de gaz portatifs et intégrés. La résistance électrique des résistors s’avère décroître avec la température suggérant une conduction électrique gouvernée par l’effet tunnel et les fluctuations au sein du tapis désordonné de nanotubes de carbone. Nous avons cependant montré dans ce travail que pour des applications réelles de détection de gaz, une régulation thermique des dispositifs n’est pas nécessaire car les variations de résistance engendrées par l’adsorption de molécules de gaz sont significativement plus grandes que les variations causées par de possibles fluctuations de température. Les dispositifs produits présentent un caractère métallique à température ambiante et pour des applications de détection de gaz nous avons sélectionné des dispositifs présentant des résistances inférieures à 100 kΩ. Le principe de base de la détection de gaz étant basé sur la mesure directe de la résistance électrique du dispositif, la consommation électrique de ces dispositifs reste faible (<1 μW). La réponse des dispositifs à base de nanotubes de carbone non fonctionnalisés aux analytes testés (éthanol, acétone, ammoniac et vapeur d’eau) est faible. Les nanotubes de carbone fonctionnalisés présentent quant à eux, une réponse modérée à la vapeur d’eau, à l’éthanol et à l’acétone mais montrent une sensibilité excellente à l’ammoniac. En particulier, les nanotubes de carbone oxydés se sont avérés capables de détecter des concentrations sub-ppm d’ammoniac en présence de vapeur d’eau en excès et à température ambiante et ont montré une grande stabilité dans le temps même pour des expositions de gaz répétées. Nous pensons que les groupes chimiques fonctionnels ancrés à la surface des nanotubes de carbone modifient les interactions entre les molécules de gaz et les nanotubes et que le transfert de charges induit provoque les modifications de la conductance électrique du système. Nous avons construit un modèle phénoménologique pour analyser les réponses électriques de nos dispositifs lors de l’exposition d’un gaz. Ce modèle prend en compte une variation exponentielle de la résistance au cours du temps puis un régime d’accroissement linéaire de cette résistance. Nous montrons en particulier que la constante de temps extraite du régime exponentiel est très informative sur la sensibilité et la sélectivité du détecteur de gaz. Nous avons finalement testé nos dispositifs pour des applications représentatives comme par exemple la détection de traces d’ammoniac qui ont pu être aisément réalisées à des concentrations bien inférieures au seuil de détection du nez humain (0.04ppm). En raison de leur grande stabilité, facilité de fabrication (design très simple, technologies de fabrication bas coût, intégration sur substrats souples), robustesse (détection possible en présence de vapeur d’eau et résiliente aux fluctuations thermiques) et en raison de la faible quantité de nanotubes de Carbone nécessaire, nous pensons que nos résultats sont intéressants pour des applications de masse concernant des détecteurs de gaz portables pour l’industrie des technologies de l’information et de la communication.

Abstract

We have successfully fabricated gas sensors based on chemically functionalized double-wall carbon nanotubes (DWCNTs) using a robust and low cost process. The DWCNTs were synthesized by catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method. They were then purified before functionalization (oxidation, amination, and fluorination). The sensor devices were fabricated by soft lithography using PDMS (Poly-DiMethylSiloxane) stencils and liquid phase pipetting of a suspension of chemically functionalized DWCNTs in deionized water, rinsing and finally drying in a nitrogen flow. Each device (1 cm x 2 cm) is equipped with a set of 7 DWCNT based resistors. Each resistor can accommodate a precise chemical functionalization for targeting a specific gas species, allowing a multiplexed (up to 7) detection. Due to their small size and the possibility to fabricate them on soft substrates, they could be used for many kinds of applications including wearable devices. The electrical resistance of the produced resistors turned out to decrease with temperature, suggesting fluctuations induced tunneling conduction through the disordered network of metallic nanotubes. However, we have shown in our work that for realistic applications, gas sensing can be achieved without any temperature regulation of our devices, because the variations of electrical conductance caused by gas molecules adsorption are significantly larger than those caused by possible temperature fluctuations. The as fabricated devices exhibit at room temperature a metallic conducting behavior. Devices with a resistance less than 100 kΩ were selected for gas detection. Because the sensing principle is based on the direct measurement of the resistance, our scheme ensures low power consumption (<1 μW). Raw (not functionalized) DWCNTs-based gas sensors exhibited a low sensitivity to the tested analytes, including ethanol, acetone, ammonia and water vapor. Functionalized DWCNTs-based gas sensors exhibited a moderate sensitivity to ethanol, acetone and water vapor but the response to ammonia, even in the presence of additional water vapor, was excellent. In particular, oxidized DWCNTs based gas sensors exhibited a high stability in the case of prolonged and repeated gas exposures. The oxidized DWCNTs gas sensors were also able to detect ammonia vapor at sub-ppm concentration in the presence of water vapor at high concentration. We believe that the functional groups grafted to the DWCNTs modify the interaction between gas molecules and DWCNTs and that the induced charge transfer is responsible for the modification of the electrical conductivity. We have built a simple phenomenological model for the analysis of the sensing response curve. This model includes two components for the variations of electrical resistance during gas exposure, an exponential regime and a linear one. In particular, the time constant extracted from the exponential part of the response was found to be informative on devices' sensitivity and selectivity. Finally, we tested our sensors for realistic applications such as trace detection of ammonia, which could be easily detected while far below the detection threshold of human nose (0.04ppm) Due to the high stability, ease of fabrication (very simple design, use of low-cost technologies, integration on flexible substrates), robustness (detection in the presence of a large excess of water vapor and resilient to temperature fluctuations) and extremely low amounts of carbon nanotube required, we expect these results to have some potential for a wide range of mass applications in the field of wearable gas sensors for Information and Communication Technologies (ICT) industry.

141773
17425
17/10/2017

Développement d’un capteur à base de polymère à empreintes moléculaires pour la quantification de la sphingosine 1-phosphate libre et circulante comme biomarqueur du mélanome cutané

M.SAHUN

ELIA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Octobre 2017, 155p., Président: T.LEVADE, Rapporteurs: L.DUMA, O.SOPPERA, C.MASQUEFA, Examinateurs: J.FITREMANN, Directeurs de thèse: N.ANDRIEU-ABADIE, A.CERF , N° 17425

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01660830

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Abstract

Melanoma is the most aggressive and severe form of cutaneous cancer due to its high metastatic potential. However, to date, no marker for the early detection of melanoma has been unanimously accepted. Our group has demonstrated that ceramide metabolism is strongly altered in melanoma, leading to the overproduction of sphingosine 1-phosphate (S1P), one of its derivatives. S1P is secreted by melanoma cells and has been identified as a critical molecule of tumor microenvironment remodeling that supports cancer progression. Physiologically, circulating S1P is predominantly linked to high density lipoproteins (HDLs), low and very low density lipoproteins (LDLs and VLDLs), as well as albumin. Melanoma cells produce unbound S1P that could be responsible for the effects induced by this lysophospholipid on the tumor microenvironment, as a result of its binding to S1PR receptors present on the surface of stromal cells. Thus, secreted tumor S1P could represent a new biomarker for the early detection of melanoma. However, there are currently no means to quantify it. The goal of this interdisciplinary work was to develop a new sensor based on a Molecularly Imprinted Polymer (MIP) in order to quantify unbound S1P present in the blood of melanoma patients. This study has been conducted between the “Engineering for Life science Applications (EliA)” group at the Laboratory for Analysis and Architecture of Systems (LAAS) and the “Sphingolipids, metabolism, cell death and tumor progression” group at the Cancer Research Center of Toulouse (CRCT), in strong collaboration with the team “Biomimetism and Bioinspired Structures” of the University of Technology of Compiègne (UTC). First, we synthesized a new MIP against S1P employing a bulk thermopolymerization approach. The resulting MIP was characterized and optimized by performing both mass spectrometry and fluorescence spectroscopy measurements. It was compared to a Non Imprinted Polymer (NIP) and exposed to S1P analogues to assess its selectivity. Second, in order to use the MIP as the sensitive layer of a future sensor and prepare its immobilization and structuration onto a transducer, we synthesized a new surface photopolymerizable MIP. This MIP was first structured by photolithography onto silicon substrates and validated by fluorescence microscopy measurements. The MIP was also structured as a thin layer onto Quartz Crystal Microbalance (QCM) chips in order to validate its binding capacities using this label-free method. Finally, the use of a MIP-coated optical fiber as an infrared sensor was explored, with the aim of detecting S1P in blood using Attenuated Total Reflectance (ATR) spectroscopy.

Résumé

Le mélanome est le plus agressif et le plus sévère des cancers cutanés du fait de son fort potentiel métastatique. Pourtant à ce jour, aucun biomarqueur pour la détection précoce du mélanome n’est unanimement reconnu. Notre groupe a récemment démontré que le métabolisme du céramide est fortement altéré dès les premiers stades de la maladie, conduisant à l’augmentation de la production d’un dérivé du céramide, la sphingosine 1-phosphate (S1P). La S1P est sécrétée par les cellules du mélanome et a été identifiée comme une molécule majeure du remodelage du microenvironnement tumoral, qui favorise la progression du cancer. De façon physiologique, la S1P circulante se trouve majoritairement sous forme liée aux protéines de haute densité (HDLs), aux protéines de basse et très basse densité (LDLs et VLDLs) ainsi qu’à l’albumine. Les cellules de mélanome pourraient produire de la S1P non liée qui pourrait rendre compte des effets produits par ce lysosphopholipide sur les cellules du microenvironnement tumoral suite à sa fixation sur les récepteurs S1PR présents à la surface des cellules stromales. Ainsi, cette forme libre de S1P pourrait représenter un nouveau biomarqueur pour la détection précoce du mélanome. Cependant, il n’existe à l’heure actuelle aucun moyen permettant de la quantifier. Le but de ce travail interdisciplinaire a été de développer un nouveau capteur basé sur un polymère à empreintes moléculaires (MIP) dans le but de quantifier la S1P libre dans le sang de patients atteints de mélanome. Cette étude a été réalisée entre l’équipe « Ingénierie pour les sciences du vivant (ELiA) » du Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS), et l’équipe « Sphingolipides, métabolisme, mort cellulaire et progression tumorale » du Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (CRCT), en étroite collaboration avec l’équipe « Biomimétisme et structures bioinspirées » de l’Université Technologique de Compiègne (UTC). Dans un premier temps, nous avons synthétisé un nouveau MIP dirigé contre la S1P par une méthode de thermopolymérisation en masse. Nous avons caractérisé puis optimisé ce MIP en effectuant des mesures de spectrométrie de masse couplée à la chromatographie en phase liquide et des mesures de spectroscopie de fluorescence. Le MIP a été comparé à un NIP (Non Imprinted Polymer) et exposé à des analogues de la S1P afin d’évaluer sa sélectivité. Dans un second temps, en vue de l’utilisation d’un MIP en tant que couche sensible d’un futur capteur et pour anticiper son immobilisation et sa structuration sur le transducteur, nous avons mis au point un nouveau MIP photopolymérisable en 2D. Ce MIP a d’abord été structuré en motifs par photolithographie sur des surfaces de silicium puis validé par des mesures de microscopie de fluorescence. Le MIP a également été structuré sous la forme de couches minces sur les surfaces actives de capteurs de Microbalance à Cristal de Quartz (QCM) dans le but de le valider par cette méthode sans marquage. Enfin, nous avons exploré l'utilisation d'une fibre optique recouverte d'une couche de MIP photopolymérisé dans le but de détecter, par spectroscopie infrarouge, la liaison de la S1P avec le MIP à la surface de la fibre.

Mots-Clés / Keywords
Mélanome cutané; Biomarqueurs; Sphingosine 1-Phosphate; Capteur;

141673
16390
28/10/2016

Sélection et capture de biomarqueurs moléculaires et cellulaires à partir d' un fluide complexe

H.CAYRON

ELIA

Doctorat : INSA de Toulouse, 28 Octobre 2016, 207p., Président: G.FAVRE, Rapporteurs: C.A.PANABIERES, I.SAGNES, Examinateurs: A.CERF, H.CRAIGHEAD, S.DESCROIX, J.MORAN-MIRABAL, Directeurs de thèse: C.VIEU , N° 16390

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417198

Non diffusable

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Abstract

In this XXIst century, medicine is gravitating towards the personalized care of a patient, this trend being manifested through the concept of precision medicine. In oncology particularly, the sampling of biological tissues from a tumor, or biopsy, is currently used for diagnostic purposes. Physicians are nowadays interested in the concept of “liquid biopsy”, reflecting the direct access to circulating biomarkers from various biofluids via a simple blood sampling for example, less invasive than tissue sampling, for the diagnostic and follow-up of pathologies. This research project focused on two technological approaches emerging from microfabrication for the selection and capture of circulating molecular and cellular biomarkers. At the molecular scale, this work was based on the automation of a directed capillary assembly protocol. A dedicated module was implemented into an automate for molecular stamping and validated using a simple molecular model, allowing the elongation and large-scale assembly of single biomolecules in a controlled and automatized manner. The developed technology was then used for the assembly of relevant molecular biomarkers such as cell-free DNA (cfDNA) from untreated whole blood, evidencing the capabilities of this technology to single out nucleic acids from complex fluids composed of other cellular elements. At the cellular scale, an innovative concept for Circulating Tumor Cells (CTCs) selection and capture was developed. The developed microdevice is fabricated using 3D direct laser writing and allows for a physical capture of cells from untreated whole blood while preserving them for further recovery and analysis. After having optimized the design in vitro to maximize the capture efficiency of the system, a selective capture of cancer cells from untreated whole blood was achieved. A first prototype for the in vivo use of this system was also developed and validated in vitro with cancer cells spiked into culture medium, opening up wide possibilities from an applicative and translational perspective.

Résumé

La médecine du XXIème se dirige vers une prise en charge individuelle du patient et s’inscrit dans un concept que l’on nomme médecine de précision. Dans le domaine de l’oncologie en particulier, les prélèvements tissulaires sur la tumeur, ou biopsie, sont couramment utilisés pour établir un diagnostic chez un patient donné. Les médecins s’intéressent de nos jours au concept de biopsie liquide, traduisant l’accès à des biomarqueurs circulants dans divers biofluides corporels via un simple prélèvement, sanguin par exemple, moins invasif que les prélèvements tissulaires dans le diagnostic et le suivi des pathologies. Ce travail de thèse s’est axé autour de deux approches technologiques issues du domaine de la microfabrication pour la sélection et la capture de biomarqueurs circulants, aux échelles moléculaire et cellulaire. A l’échelle moléculaire, ces travaux se sont axés sur l’automatisation d’un protocole d'assemblage capillaire dirigé. Un module a été implémenté dans un automate de tamponnage moléculaire puis validé en utilisant un modèle moléculaire simple, permettant l'isolement et l'étirement de biomolécules individuelles de manière entièrement contrôlée et automatisée à large échelle. Nous avons ensuite appliqué cette technologie à des biomarqueurs moléculaires d'intérêt tels que les ADN libres (cfDNA) contenus dans du sang complet, démontrant la capacité de la technique à isoler des acides nucléiques à partir d’un fluide complexe, ici parmi une population de cellules sanguines. A l’échelle cellulaire, une approche innovante pour la sélection et la capture de Cellules Tumorales Circulantes (CTCs) a été développée. Le microdispositif mis au point est fabriqué par écriture laser à 3 dimensions et permet le piégeage physique de ces cellules dans du sang complet non traité tout en les préservant pour une récupération et analyse ultérieure. Après adaptation du microdispositif pour maximiser son efficacité de capture in vitro, une première preuve de concept de capture sélective de cellules cancéreuses dans du sang complet non traité a été réalisée. Un premier prototype pour une utilisation in vivo a été mis au point et validé in vitro sur la capture de cellules cancéreuses dans du milieu de culture, ouvrant de larges perspectives au niveau applicatif et translationnel.

Mots-Clés / Keywords
Biomarqueurs; Microtechnologies; Assemblage capillaire; Biopsie liquide; Oncologie; Lithographie 3D; Biomarkers; Capillary assembly; Liquid biopsy; Oncology; 3D lithography;

138213
16383
11/10/2016

Propriétés biophysiques des cardiomyocytes vivants en condition physio/ physiopathologique et architecture des récepteurs couplés aux protéines G explorées par microscopie à force atomique

V.LACHAIZE

ELIA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Octobre 2016, 257p., Président: J.M.SENARD, Rapporteurs: S.LABDI, P.MANIVET, Examinateurs: S.EL-KIRAT-CHATEL, Directeurs de thèse: E.DAGUE, C.GALES , N° 16383

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01416906

Diffusable

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Abstract

Heart failure is a public health problem with 1 million patients this year in France. This pathology is defined inability to heart pump sufficiently to maintain blood flow to meet the body's needs. This decrease is explicated by the loss of contractile function of the heart, caused by the necrosis of the contractile cells: cardiomyocytes. In this study, I was able to study the topographic and biomechanical modification of the cardiomyocyte membrane upstream of its rupture during necrosis, by technology derived from nanosciences : atomic force microscopy (AFM). My work reveals a highly structured membrane in healthy cardiomyocytes and a loss of this architecture in an early stage of the heart failure installation. In a second study I was interested in the oligomeric organization of a transmembrane receptors family , G protein-coupled receptors. These proteins are a privileged target for the pharmacological treatments on heart failure such as beta- Blockers and vasodilators. This oligomerization mechanism could be the key to the side effects associated with treatments. In order to study the oligomeric conformation, I used single molecule force spectroscopy and I reveal different oligomeric populations of these receptors on the membrane. The results showed a oligomeric populations distribution according the conditions (plasmid density coding for receptors / stimulation with synthetic or natural agonist). It is possible that there is a regulation of the signaling pathways, using the oligomerization for specific activation receptors. The possible difference in activity of each oligomeric population (monomer / dimer / tetramer / hexamer) appears to be a plausible explanation for the side effects of pharmacological agents. My thesis work allowed the discovery of a new track by an innovative technology, atomic force microscopy, in the treatment of heart failure.

Résumé

L’insuffisance cardiaque est un réel problème de santé publique avec 1 millions de patients souffrant de cette pathologie cette année en France. Elle est définie incapacité de fournir un débit sanguin suffisant à l’organisme. Cette diminution de débit est traduite par la perte de fonction contractile du coeur provoqué par la nécrose des cellules responsable de cette fonction : les cardiomyocytes. Dans cette étude j’ai pu étudier les modifications topographiques et biomécaniques de la membrane du cardiomyocyte vivant en amont de sa rupture lors de la nécrose, par une technologie issue des nanosciences : la microscopie à force atomique (AFM). Mes travaux ont fait apparaitre une membrane très structurée chez le cardiomyocyte sain et une perte de cette architecture dans un temps précoce de l’installation de l’insuffisance cardiaque. L’utilisation de la microscopie électronique à transmission à montrer que les anomalies mises en évidences par AFM ont pour origine un réarrangement mitochondriale. Dans une seconde étude je me suis intéressée à l’organisation oligomérique d’une famille particulière de récepteur transmembranaire, les récepteurs couplés aux protéines G. Ces protéines sont une des cibles privilégiées pour les traitements pharmacologiques de l’insuffisance cardiaque tel que le bêta-bloquants et les vasodilatateurs. Ce mécanisme d’oligomérisation pourrait être la clef des effets secondaires liés à ces traitements. Afin d’étudier la conformation oligomérique, j’ai utilisé la spectroscopie de force à l’échelle de la molécule unique pour mettre en évidence différentes populations oligomérique de ces récepteurs sur la surface membranaire. Les résultats ont montré une distribution des populations oligomériques en fonction des conditions (densité de plasmide codants pour les récepteurs/stimulation avec agoniste synthétique ou naturel). Il est possible qu’il y ait une régulation des voies de signalisations par l’oligomérisation des récepteurs activés. La différence d’activité possible de chaque population oligomérique (monomère/dimère/tétramère/hexamère) semble être une explication plausible aux effets secondaire des agents pharmacologique. Mes travaux de thèse ont permis la mise en évidence de nouvelle piste par une technologie innovante, la microscopie à force atomique, dans le traitement de l’insuffisance cardiaque.

Mots-Clés / Keywords
Insuffisance cardiaque; Microscopie à force atomique; Cardiomyocytes; RCPG; Oligomérisation; Spectroscopie de force à l’échelle de la molécule unique; Heart failure; Atomic force microscopy; Oligomerization; Single molecule force spectroscopy;

138133
16402
13/07/2016

Conception et caractérisation d'un dispositif à base de nanopores destiné à l'enregistrement électrique de l'activité de canaux ioniques membranaires

R.MARCHAND

ELIA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 13 Juillet 2016, 230p., Président: A.BOUDET, Rapporteurs: A.M.HAGHIRI-GOSNET, O.FRANCAIS, Examinateurs: B.BARTENLIAN, Directeurs de thèse: C.VIEU, E.TREVISIOL , N° 16402

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01416500

Diffusable

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Abstract

Ion channels are membrane proteins responsible for ion transport across biological membranes. Due to their ubiquity, they are promising drug targets but are not yet fully exploited as such due to experimental restrictions in their study. Electrical measurement of ion channels activity within in vitro artificial lipid bilayers would enable to overcome these restrictions. However, there is not yet a system satisfying all the requirements for ion channels studies: stability and purity of the lipid bilayer, low noise level, fast insertion of ion channels, fluidic integration, ability to perform simultaneous optical characterization. The aim of this phD was to assess in which extent the use of an SOI (Silicon On Insulator) substrate bearing nanopores could satisfy all these requirements. 10 nm to 160 nm diameter nanopores were fabricated in an SOI substrate and characterized. A transparent fluidic cell was used for fluidic addressing. This transparent cell allows simultaneous electrical and optical characterization. Electrical properties of the device in aqueous environment were studied, allowing to bring out improvement prospects. The simultaneous electrical and optical characterization was demonstrated with fluorescent nanoparticle trapping experiments on the nanopores. Finally, promising results about the formation of a free standing lipid bilayer are presented.

Résumé

Les canaux ioniques sont des protéines membranaires permettant le transport ionique au travers des membranes biologiques. Du fait de leur omniprésence dans l’organisme, ils représentent une classe de cibles thérapeutiques encore actuellement peu exploitée du fait de limitations expérimentales dans leur étude. La mesure électrique de l’activité des canaux ioniques au sein de bicouches biomimétiques reconstituées in vitro permettrait de répondre à ces limitations. Cependant, il n’existe actuellement pas de système satisfaisant au cahier des charges complet pour de telles analyses : stabilité et pureté de la bicouche, faible niveau de bruit, insertion rapide des canaux ioniques, intégration dans un dispositif fluidique, possibilité de mener une caractérisation optique simultanée. L’objectif de ces travaux de thèse était d’évaluer dans quelle mesure l’utilisation d’un substrat SOI (Silicon On Insulator) comprenant des nanopores pourrait permettre de répondre à tous ces critères. Des nanopores de diamètre compris entre 10 nm et 160 nm ont été réalisés à partir d’un substrat SOI. Une cellule fluidique transparente est utilisée pour l’adressage fluidique. Cette cellule permet d’autre part la double caractérisation électrique et optique. Les propriétés électriques en milieu liquide du dispositif ont été étudiées et permettent de dégager des perspectives d’amélioration. La double caractérisation électrique et optique est démontrée au moyen d’expériences de capture de nanoparticules fluorescentes sur les nanopores. Enfin, des premiers résultats prometteurs d’obtention d’une bicouche lipidique suspendue sont présentés.

Mots-Clés / Keywords
Canaux ioniques biologiques; Mesures électriques en milieu liquide; Micro/nano dispositifs hybrides; Nanoparticules; Nanopores;

138252
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