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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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17062
09/03/2017

Spectroscopie diélectrique HyperFréquence des cellules biologiques soumisee à l'électroporation

A.TAMRA

MH2F

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 9 Mars 2017, 164p., Président: S.YOSHIZAWA, Rapporteurs: O.FRANCAIS, P.RENAUD, Examinateurs: K.GRENIER, Directeurs de thèse: D.DUBUC, M.P.ROLS , N° 17062

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01499406

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Abstract

Electroporation is a physical process that consists in applying electric field pulses to transiently or permanently permeabilize the plasma membrane. This phenomenon is of great interest in the clinical field as well as in the industry because of its various applications, in particular electrochemotherapy which combines electrical pulses with the administration of a cytotoxic molecule in the treatment of tumors. The evaluation of this phenomenon is traditionally carried out using optical and biochemical methods (microscopy, flow cytometry, biochemical test). They are very effective but require the use of a wide range of fluorochromes and markers, which can be laborious and costly to implement, while being invasive to the cells. In recent years, the development of new biophysical tools for the study of electroporation has taken place, such as dielectrophoresis and impedance spectroscopy (low frequency). In addition to the ease of implementation, these methods are of interest in the study of membrane modifications of the cell. Hence the advantage of operating beyond the GHz, in the range of microwaves, for which the cytoplasmic membrane becomes transparent and the intracellular content is exposed. The extraction of the relative permittivity as a result of the electromagnetic field / biological cell interaction then reflects the cell state. This technique, microwave dielectric spectroscopy, is a relevant method for analyzing the effects of electroporation on cell viability. Moreover, it does not require any use of the exogenous molecules (non-invasive) and the measurements are directly carried out in the culture medium of the cells. Two objectives were defined during this thesis whose work is located at the interface between three scientific fields: cellular biology, microwave electronics and microtechnologies. The first objective concerns the transposition of conventional electroporation to the micrometric scale, which has shown an efficiency as efficient as the first. The second part of the work concerns the study by HighFrequency dielectric spectroscopy of cells subjected to different electrical treatments (combined or not with a cytotoxic molecule). This work presents a statistical power and shows a very good correlation (R2> 0.94) with standard techniques used in biology, which biologically validates the HF analysis method in the context of electroporation. This work also shows that microwave dielectric spectroscopy proves to be a powerful technique capable of revealing cell viability following chemical and / or electrical treatment. They open the way to 'non-invasive' analysis by hyper-frequency dielectric spectroscopy of electroporated cells in situ.

Résumé

L'électroporation est un procédé physique qui consiste à appliquer des impulsions de champ électrique pour perméabiliser de manière transitoire ou permanente la membrane plasmique. Ce phénomène est d'un grand intérêt dans le domaine clinique ainsi que dans l'industrie en raison de ses diverses applications, notamment l’électrochimiothérapie qui combine les impulsions électriques à l’administration d’une molécule cytotoxique, dans le cadre du traitement des tumeurs. L’analyse de ce phénomène est traditionnellement réalisée à l’aide des méthodes optique et biochimique (microscopie, cytométrie en flux, test biochimique). Elles sont très efficaces mais nécessitent l’utilisation d’une large gamme de fluorochromes et de marqueurs dont la mise en œuvre peut être laborieuse et coûteuse tout en ayant un caractère invasif aux cellules. Durant ces dernières années, le développement de nouveaux outils biophysiques pour l’étude de l’électroporation a pris place, tels que la diélectrophorèse et la spectroscopie d’impédance (basse fréquence). Outre une facilité de mise en œuvre, ces méthodes représentent un intérêt dans l’étude des modifications membranaires de la cellule. De là vient l’intérêt d’opérer au-delà du GHz, dans la gamme des micro-ondes, pour laquelle la membrane cytoplasmique devient transparente et le contenu intracellulaire est exposé. L’extraction de la permittivité relative suite à l’interaction champ électromagnétique/cellules biologiques reflète alors l’état cellulaire. Cette technique, la spectroscopie diélectrique hyperfréquence, se présente comme une méthode pertinente pour analyser les effets de l’électroporation sur la viabilité cellulaire. De plus, elle ne nécessite aucune utilisation des molécules exogènes (non-invasivité) et les mesures sont directement réalisées dans le milieu de culture des cellules. Deux objectifs ont été définis lors de cette thèse dont les travaux se situent à l’interface entre trois domaines scientifiques : la biologie cellulaire, l’électronique hyperfréquence et les micro-technologies. Le premier objectif concerne la transposition de l’électroporation conventionnelle à l’échelle micrométrique, qui a montré une efficacité aussi performante que la première. La deuxième partie du travail concerne l’étude par spectroscopie diélectrique HyperFréquence de cellules soumises à différents traitements électriques (combinés ou non à une molécule cytotoxique). Ces travaux présentent une puissance statistique et montrent une très bonne corrélation (R2 >0 .94) avec des techniques standards utilisées en biologie, ce qui valide ‘biologiquement’ la méthode d’analyse HF dans le contexte d’électroporation. Ces travaux montrent en outre que la spectroscopie diélectrique hyperfréquence s’avère être une technique puissante, capable de révéler la viabilité cellulaire suite à un traitement chimique et/ou électrique. Ils ouvrent la voie à l’analyse ‘non-invasive’ par spectroscopie diélectrique HyperFréquence de cellules électroporées in-situ.

Mots-Clés / Keywords
Analyse micro-onde; Electroporation; Biocapteur; Cellule unique; Microtechnologies; Perméabilisation membranaire; Spectroscopie diélectrique HyperFréquence;

139382
16405
05/12/2016

Conception and characterization of flexible microelectrodes for implantable neuroprosthetic development

A.LECOMTE

MEMS

Doctorat : INSA de Toulouse, 5 Décembre 2016, 160p., Président: J.GRISOLIA, Rapporteurs: L.BERDONDINI, G.MALLIARAS, Examinateurs: G.OFFRANC-PIRET, Directeurs de thèse: C.BERGAUD , N° 16405

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Résumé

Les neuroprothèses sont un domaine de recherche visant à restaurer les fonctions de personnes atteintes de déficiences sensorielles ou motrices. Les implants neuraux assurent une communication bidirectionnelle entre le cerveau et les ordinateurs. Ils permettent par exemple de favoriser la communication et la mobilité des personnes présentant une déficience motrice grave, rétablir la perception sensorielle (vision, audition) et réduire des symptômes neurodégénératifs (Parkinson). Les dernières avancées technologiques et la meilleure compréhension des facteurs déclenchant les réactions inflammatoires permettent d’envisager des implants corticaux chroniques fiables. Les implants traditionnels, basés sur des matériaux rigides comme le silicium ou le tungstène, sont souvent associés à une réaction immunitaire importante, du fait de leur pauvre biocompatibilité et du stress qu'ils induisent sur les tissus environnants. En ce sens, les implants flexibles, basés sur des biomatériaux souples, sont de plus en plus étudiés. Le substrat s'adapte aux micromouvements du cerveau (respiration, pulsation cardiaque) et de se fait promouvoir un meilleur contact tout en diminuant la réaction inflammatoire. Au cours de cette thèse, nous avons conçu et fabriqué un implant flexible à base de Parylène C, polymère souple de plus haute classe de biocompatibilité atteinte par la législation américaine (USP Classe VI), sur lequel des électrodes en or sont positionnées. Divers procédés de la microélectronique, comme la photolithographie et la gravure plasma utilisés communément pour le développement de microsystèmes en métal ou semi-conducteurs, ont été adaptés à la structuration d'implants en Parylène C. Par le biais de la culture cellulaire in vitro, nous avons montré que des cellules neuronales dérivées se différenciaient correctement sur les implants, validant ainsi la biocompatibilité des dispositifs. Cependant, ces nouveaux implants ont tendance à se courber à la surface du cerveau lors de leur insertion, empêchant le bon déroulement de l'implantation. Nous proposons ici une méthode basée sur l'intégration d'un film biorésorbable à l'arrière de l'implant. Ce film rigide permet d'assurer la pénétration de l'implant dans les tissus cérébraux, avant de se dissoudre de façon inoffensive dans l'organisme. Le film est réalisé en fibroïne de soie, extrait des cocons de vers à soie. Ce matériau, plus résistant que le Kevlar, est utilisé depuis des millénaires comme fils de suture biodégradable. La mise au point de l'extraction de la fibroïne de soie et sa structuration sur l'implant à l'aide d'un moule en polymère, ainsi que l’optimisation de la méthode de dépôt permet l'obtention d'une couche de soie en forme de gouttière, ce qui facilite l’insertion tout en limitant les contraintes et pressions indésirables lors de l'insertion. Nous avons montré à travers une série de test in vitro dans des gels et in vivo sur souris, que la soie augmentait par 100 la rigidité de l'implant et pouvait se résorber à taux accordable dans l'organisme. Un aspect primordial des implants neuraux concerne leur tenue et leur fiabilité sur le long terme. Si les implants traditionnels en silicium sont matière à de nombreuses études sur le sujet, les implants en polymères souples ne se sont développés que récemment et ne bénéficient pas encore du même recul. Nous proposons une étude préliminaire in vitro dans du liquide cérébro-spinal artificiel et in vivo sur souris permettant de mettre en évidence l'augmentation de la durée de vie de nos implants. Les résultats ont montré qu'au bout de six mois, les dispositifs ne présentent pas de signe de délamination, corrosion ou gonflement, ce qui se caractérise par la stabilité des propriétés électriques des électrodes. En conclusion, les implants conçus au cours de cette thèse présentent des caractéristiques prometteuses pour le développement de neuroprothèses implantables flexibles fiables sur le long terme.

Mots-Clés / Keywords
Biomatériaux; Implantation chronique; Neuroprothèse; Polymère flexible;

138281
16445
26/11/2016

Développement de nano-systèmes à base de nanofils pour l'interfaçage neuronal

A.CASANOVA

NBS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Novembre 2016, 203p., Président: C.VILLARD, Rapporteurs: A.SOUIFI, C.PRINZ, Examinateurs: S.RENAUD, Directeurs de thèse: G.LARRIEU, L.NICU , N° 16445

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445826

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Abstract

Due to constant aging of world population, the struggle against neurodegenerative diseases is one of the major challenges in the near future and a better understanding of these pathologies goes through an improvement of basic mechanism knowledge involved in neuronal networks. In that scope, miniaturization of electronic components opens new perspectives for addressing such issues and holds great promise to improve the resolution levels. 1D-nanostructures such as NW-FET or NW-probes, offer real benefits thanks to their very small sections allowing to be less intrusive combined with their high surface-to-volume ratio leading to a higher affinity with cells. Here, we propose to co-integrate passive and active devices based on 1D nanostructures on the same platform (vertical NW probes and NW-FETs), to accurately compare advantages and drawbacks of each configuration regarding neuron electrical activity measurement. The two NW devices are fabricated with a large scale and cost effective top-down approach combining conventional lithography tools, plasma etching and sacrificial oxidation step to tune the nanostructure geometry. A core-shell-type device has been developed with a conductive part at the center, encapsulated by a conformal silicon oxide to insulate the probing nanostructures from liquid. In parallel, silicon NW-FETs are created with a planar NW channel (50 nm) connected by two highly doped low resistive regions. The device operation has been characterized in liquid environment (interface impedance of passive probes and pH sensing for transistors). Primary rat cortical neuronal cultures have been grown in-vitro with an unprecedented surface functionalization approach to precisely locate single neurons and guide the growth of their extensions. The approach allows the perfect location of somas on devices and the control of neurite growth at sub-micrometer scale. After 10 days-in-vitro, we detected for the first time spontaneous mammalian neuron action potentials using passive vertical NW-probes. Thereafter, several kinds of stimulation protocols have been implemented: (i) at the network level, with chemical stimulations such as KCl depolarization to mimic epileptic synchronization or with more refined stimulation (bicuculline). Local field potentials from few somas and action potentials from single neurons have been successfully recorded with a maximal signal-to-noise ratio of 10 for transistors compared to 40 for passive probes. (ii) At the cell level, where bi-directionality of passive probes have been used to locally trigger neuronal activity under electrical stimulation. Finally, multi-site recordings with vertical probes have been used to compare extra and intracellular probing.

Résumé

De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d’améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d’agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l’aide d’un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l’interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l’auto-alignement de molécules d’adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l’échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l’échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d’enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l’activité électrique au sein d’une culture neuronale. La chaîne d’acquisition nécessaire au transport de l’information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu’à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l’aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l’aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l’excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de l’interaction.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils; Biocapteurs; Nano-sondes; Transistors; In-vitro; Cellules primaires; Nanowires; Biosensors; Neurons; Nano-probes; Primary cells;

138416
16472
22/11/2016

Lateral porous silicon membranes for planar microfluidic applications

Y.HE

MEMS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Novembre 2016, 147p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: F.CUNIN, J.BRUGGER, Examinateurs: S.ARSCOTT, Directeurs de thèse: L.NICU, T.LEICHLE , N° 16472

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445669

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Abstract

Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore size, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.

Mots-Clés / Keywords
Anodization; Filtration; Ion concentration polarization; Membranes; Microfluidics; Optical biosensors; Porous silicon;

138517
16442
15/11/2016

Conception et réalisation d'une nouvelle génération de ano-capteurs de gaz à base de nanofils semiconducteurs

B.DURAND

MICA

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 15 Novembre 2016, 206p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: M.THCHERNYCHEVA, C.PIJOLAT, Examinateurs: Y.COOINIER, Directeurs de thèse: P.MENINI, G.LARRIEU , N° 16442

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Abstract

In recent years, efforts of research and development for gas sensors converged to use nanomaterials to optimize performance. This new generation promises many advantages especially in miniaturization and reduction of energy consumption. Furthermore, the gas detection parameters (sensitivity, detection limit, response time ...) are improved due to the high surface/volume ratio of the sensitive part. Thus, this sensors can be integrated in ultrasensitive detection systems, autonomous, compact and transportable. In this thesis, we propose to use 3D semiconductor nanowires networks to create highly sensitive and selective gas sensors. The objective of this work is to provide a highly sensitive sensor, featuring a low detection limit (in the ppb range) and embeddable in CMOS devices. In addition process is generic and adaptable to many types of materials to discriminate several gas and converge to electronic nose. The first part of the dissertation is based on development of a large scale, reproducible, compatible with Si processing industry and conventional tools (CMOS), to obtain a sensor based on a 3D nanowire architecture. The device is composed by two symmetrical aluminum contacts at each extremity of the nanowires, including a top contact done by air bridge approach. The second part of this work presents the gas performances of components and working mechanisms associated. A very high response (30%) is obtained at 50 ppb of NO2, compare to the state of the art, 25% reached for 200 ppb. This approach can measure selectively very low concentrations of gas (<1 ppb) in real working conditions: moisture (tested up to 70% moisture) and mixing with other more concentrated gas (interfering gas). In addition, the reversibility of the sensor is natural and occurs at room temperature without requiring specific conditions.

Résumé

Au cours des dernières années, les efforts de recherche et de développement pour les capteurs de gaz se sont orientés vers l’intégration de nanomatériaux afin d’améliorer les performances des dispositifs. Ces nouvelles générations promettent de nombreux avantages notamment en matière de miniaturisation et de réduction de la consommation énergétique. Par ailleurs, la détection sous gaz (sensibilité, seuil de détection, temps de réponse, …) s’en retrouve améliorée à cause de l’augmentation du ratio surface/volume de la partie sensible. Ainsi, de tels capteurs peuvent être intégrés dans des systèmes de détections ultrasensibles, autonomes, compactes et transportables. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser des réseaux verticaux de nanofils semi-conducteurs pour créer des dispositifs de détection de gaz hautement sensibles, sélectifs, avec une faible limite de détection (de l’ordre du ppb) et intégrable dans des technologies CMOS, tout en étant générique et adaptable à plusieurs types de matériaux afin de discriminer plusieurs gaz. Une première partie expose la mise au point d’un procédé grande échelle, reproductible, compatible avec l’industrie actuelle des semi-conducteurs (CMOS), pour obtenir un capteur basé sur une architecture 3D à nanofils. Le dispositif est composé de deux contacts symétriques en aluminium à chaque extrémité des nanofils, dont l’un est obtenu par l’approche dite du « pont à air », permettant la définition d’un contact tridimensionnel au sommet du nanofil. La seconde partie présente les performances sous gaz des dispositifs développés et les mécanismes de fonctionnement. Le capteur démontre des performances record en matière de détection du dioxyde d’azote (30% à 50 ppb) en comparaison à l’état de l’art (25% à 200 ppb). De plus, cette approche permet de mesurer de très faibles concentrations de ce gaz (< 1 ppb) de manière sélective, dans des conditions proches des conditions réelles : humidité (testé jusqu’à 70% d’humidité) et mélange avec d’autres gaz plus concentrés et la réversibilité du capteur est naturelle et se fait à température ambiante sans nécessité des conditions particulières.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils semiconducteurs; Capteur de gaz; Architecture 3D; CMOS; Détection de faibles concentrations (ppb); Dioxyde d’azote (NO2); Semiconductor nanowires; Gas sensors; 3D architecture; Low concentration detection (ppb); Nitrogen dioxide (NO2); Schottky contact;

138395
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

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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, Président: J.M.SENARD, Rapporteurs: S.LABDI, P.MANIVET, Examinateurs: S.EL-KIRAT-CHATEL, Directeurs de thèse: E.DAGUE, C.GALES , N° 16383

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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
16355
21/09/2016

Spectroscopie diélectrique hyperfréquence de cellules uniques cancéreuses : de l’optimisation du capteur en sensibilité et répétabilité jusqu’au suivi en temps réel de stimuli chimiques

W.CHEN

MH2F

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 21 Septembre 2016, 247p., Président: M.PIEL, Rapporteurs: P.FERRARI, S.RENAUD, Directeurs de thèse: K.GRENIER, D.DUBUC , N° 16355

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01416948

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Abstract

The measurement of biological cells is a routine step in many biological investigations. Current techniques used by biologists are mainly based on staining or fluorescent labelings, which provide very precise and effective molecular and cellular observations. Within this context, the microwave dielectric spectroscopy for cell analysis represents a new and attractive method, due to the lack of cells preparation and manipulation, without adding chemicals that could interfere with other cellular constituents. Its compatibility with the analysis of single-cells, potentially in real-time monitoring, constitute also two major assets of the analysis technique. This PhD thesis therefore focused on the optimization of a microfluidic and microwave based biosensor, which is dedicated to the dielectric spectroscopy of individual biological cells, and the development of its metrology to assess the dielectric behavior of cells subjected to chemical stimuli. After a state of the art on the current techniques available to analyze single cells, we focused on the optimization of the microwave biosensor to improve its performances in terms of sensitivity and repeatability. These optimizations dealt with the microfabrication process, the component architecture through the investigation of single cell loading efficacy as well as an electromagnetic parametric study. These developments were validated first experimentally with the measurement of polystyrene beads, which present a simplified dielectric model compared to the complexity of a biological cell, followed then by living individual cells in their culture medium. The test bench was also optimized to allow the dielectric measurement of cells over time, and especially in response to a chemical stimulus. The reaction kinetics of a single-cell subjected to saponin was recorded automatically for different cells. This work opens the door to single-cell analysis with microwave dielectric spectroscopy of complex biological processes in real-time.

Résumé

La mesure de cellules biologiques constitue une étape de routine dans de nombreuses investigations en biologie. Les techniques actuelles utilisées par les biologistes sont principalement basées sur l’utilisation marqueurs optiques de coloration ou fluorescents, qui fournissent des observations moléculaires et cellulaires très précises et efficaces. Dans ce contexte, la spectroscopie diélectrique micro-ondes pour analyse cellulaire constitue une méthode nouvelle et attrayante, en raison du manque de préparation et manipulation des cellules, sans besoin d’ajout de produits chimiques, qui pourraient interférer avec d'autres constituants cellulaires. Sa compatibilité avec l’analyse de cellules uniques, potentiellement en temps réel, constitue également deux atouts importants de la technique d’analyse. Les travaux de cette thèse ont donc porté sur l’optimisation d'un biocapteur hyperfréquence microfluidique, dédié à la spectroscopie diélectrique de cellules biologiques uniques, et au développement de sa métrologie pour accéder au comportement diélectrique de cellule soumise à des stimuli chimique. Après un état de l’art sur les techniques courantes d’analyse de cellule individuelle, nous nous sommes attachés à optimiser le biocapteur hyperfréquence pour en améliorer les performances en sensibilité et en répétabilité. Ces optimisations ont porté sur le procédé de micro-fabrication, l’architecture du composant, que ce soit au niveau mécanique vis à vis de l’efficacité de blocage d’une cellule unique, mais aussi d’un point de vue électromagnétique avec une étude paramétrique. Ces études ont été validées dans un premier temps expérimentalement par la mesure de billes de polystyrène, modèle diélectrique simplifié par rapport à la complexité d’une cellule biologique, puis sur cellules individuelles vivantes dans leur milieu de culture. Le banc de caractérisation a également été optimisé afin de permettre la mesure diélectrique de cellules au cours du temps, et notamment en réaction à un stimulus d’ordre chimique. La cinétique de réaction d’une cellule unique soumise à de la saponine a été enregistrée automatiquement pour différentes cellules. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à l’analyse à l’échelle cellulaire par spectroscopie diélectrique micro-onde de processus biologiques complexes en temps réel.

Mots-Clés / Keywords
Cellule biologique unique; Micro-ondes; Biocapteur; Spectroscopie diélectrique; Bio-MEMS; Biologie cellulaire; Single-cell; Microwave; Biosensor; Dielectric spectroscopy; Cell biology;

137877
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

NBS

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
16277
17/05/2016

Développement d’un système hyperfréquence de caractérisation de solutions colloïdales fortement absorbantes

M.DEBURGHGRAEVE

MH2F

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 17 Mai 2016, 170p., Président: T.TARIS, Rapporteurs: V.SCHMITT, D.PEYRADE, Directeurs de thèse: D.DUBUC, K.GRENIER , N° 16277

Non diffusable

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Résumé

L’analyse de la stabilité de formulations est primordiale dans de multiples secteurs industriels : pharmaceutique, cosmétique, agroalimentaire… Il existe donc de nombreuses techniques permettant de caractériser la stabilité de solutions colloïdales. Les méthodes les plus communément utilisées reposent sur l’analyse par diffraction de la lumière, comme le Turbiscan, développé par la société Formulaction, qui est un instrument de référence dans ce domaine. Cependant, de par leur principe de mesure, ces techniques ne sont pas suffisamment sensibles pour l’analyse d’échantillons fortement absorbants. Les autres méthodes existantes – l’analyse par ultrasons, par rayons X… - sont quant à elles complexes, requièrent la connaissance de propriétés difficilement accessibles, voire sont insensibles de par leur principe physique aux produits à base de noir de carbone, qui constituent la majeure partie du marché des produits dits noirs. Il existe donc un besoin concernant une méthode de mesure simple et non-intrusive qui permette d’étudier la stabilité de dispersions fortement absorbantes. Nous présentons dans ce manuscrit une nouvelle méthode de caractérisation, basée sur l’interaction entre les ondes électromagnétiques hyperfréquences et la dispersion fluidique à l’étude. Dans un premier temps, une modélisation des capteurs ainsi que de l’interaction entre ondes hyperfréquences et liquide est présentée, afin de comprendre les mécanismes de fonctionnement du système développé et d’en optimiser la sensibilité. Par la suite, nous avons corroboré les résultats de modélisation par des simulations hyperfréquences démontrant la sensibilité de la technique à une variation de permittivité effective du liquide, et par extension à une variation de fraction volumique. Forts de ces résultats, l’intégration du système de mesure complet comportant quatre capteurs a été réalisée puis le fonctionnement de la technique a été validé par mesures de solutions colloïdales modèles. Enfin, le système de mesure a été testé sur diverses dispersions plus complexes, permettant ainsi de valider la capacité de la technique hyperfréquence à caractériser la stabilité des solutions colloïdales, et par extension la stabilité de solutions colloïdales fortement absorbantes.

Mots-Clés / Keywords
Caractérisation diéléctrique; Hyperfréquence; Instrumentation; Solution colloïdale;

137473
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