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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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12documents trouvés

17023
01/02/2017

Bacteria transfer by deformation through microfiltration membrane

A.GAVEAU, C.COETSIER, C.ROQUES, P.BACCHIN, E.DAGUE, C.CAUSSERAND

LGC, ELIA

Revue Scientifique : Journal of Membrane Science, Vol.523, pp.446-455, Février 2017 , N° 17023

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01451400

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Abstract

Living particles such as bacteria are able to transfer through membrane pores that are smaller than cell size due to the specific stiffness of this type of microorganism. This phenomenon can lead to a significant loss of selectivity in the filtration process, which is a major cause of concern in the sterilizing filtration step. This study investigates the retention of three bacteria strains: Escherichia coli CIP 54124, Pseudomonas aeruginosa CIP 103467 and Staphylococcus aureus CIP 53154 by model porous membranes for various operating conditions (transmembrane pressure, feed concentration and the physicochemical composition of filtered media with antibacterial agent added at sublethal concentration). The first part of this study is dedicated to defining the size and the nanomechanical properties of the envelope of the studied bacteria by microscopic techniques (Transmission electron microscopy & Atomic-force microscopy), in order to then explore the role of these quantifiable characteristics on the cell transfer through the pores by deformation mechanisms. Our results lead to the development of a numerical model to connect the observed retention efficiency of the filtration experiment and the microscopic information about individual particles.

139060
17002
26/01/2017

Spray-coated carbon nanotube carpets for creeping reduction of conducting polymer based artificial muscles

A.SIMAITE, A.DELAGARDE, B.TONDU, P.SOUERES, E.FLAHAUT, C.BERGAUD

MEMS, ELIA, GEPETTO, CIRIMAT

Revue Scientifique : Nanotechnology, Vol.28, N°2, 025502p., Janvier 2017 , N° 17002

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01413022

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Abstract

It is often observed that during cyclic actuation conducting polymer based artificial muscles are continuously creeping from the initial movement range. One of the likely reasons of such behaviour is unbalanced charging during conducting polymer oxidation and reduction. In order to improve the actuation reversibility and subsequently the long time performance of ionic actuators, we suggest to use spray-coated carbon nanotube (CNT) carpets on the surface of the conducting polymer electrodes. We show that carbon nanotubes facilitate conducting polymer redox reaction and improve its reversibility. Consequently, in the long term, charge accumulation in the polymer film is avoided leading to significantly improved long term performance during cycling actuation.

138654
16554
01/11/2016

Versatile multicharacterization platform involving tailored superhydrophobic SU-8 micropillars for the investigation of breast cancer estrogen receptor isoforms

A.ACCARDO, E.TREVISIOL, A.CERF, C.THIBAULT, H.LAURELL, M.BUSCATO, F.LENFANT, J.F.ARNAL, C.FONTAINE, C.VIEU

ELIA, INSERM

Revue Scientifique : Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, Vol.34, N°6, 06K201p., Novembre 2016 , N° 16554

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Abstract

Here, the authors report the fabrication of lotus-leaf-like tailored SU8 micropillars and their application in the context of a multitechnique characterization protocol for the investigation of the structural properties of the two estrogen receptors (ERα66/ERα46). ER (α) expression is undoubtedly the most important biomarker in breast cancer, as it provides the index for sensitivity to endocrine treatment. Beside the well-characterized ERα66 isoform, a shorter one (ERα46) is also expressed in ERα positive breast cancers and breast cancer cell lines. The superhydrophobic supports were developed by using a two-step approach including an optical lithography process and a plasma reactive ion roughening one. Upon drying on the micropillars, the biological samples resulted in stretched fibers of different diameters which were then characterized by synchrotron x-ray diffraction (XRD), Raman and Fourier-transform infrared spectroscopy. The evidence of both different spectroscopic vibrational responses and XRD signatures in the two estrogen receptors suggests the presence of conformational changes between the two biomarkers. The SU8 micropillar platform therefore represents a valid tool to enhance the discrimination sensitivity of structural features of this class of biomarkers by exploiting a multitechnique in situ characterization approach.

139233
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

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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

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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

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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
16171
07/06/2016

In-mold patterning and actionable axo-somatic compartmentalization for on-chip neuron culture

A.YAMADA, M.VIGNES, C.BUREAU, A.MAMANE, B.VENZAC, S.DESCROIX, J.L.VIOVY, C.VILLARD, J.M.PEYRIN, L.MALAQUIN

Institut Curie, UPMC, ELIA

Revue Scientifique : Lab on a Chip, Vol.16, N°11, pp.2059-2068, Juin 2016 , N° 16171

Lien : http://hal.upmc.fr/hal-01324932

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Abstract

Oriented neuronal networks with controlled connectivity are required for many applications ranging from studies of neurodegeneration to neuronal computation. To build such networks in vitro, an efficient, directed and long lasting guidance of axons toward their target is a prerequisite. The best guidance achieved so far, however, relied on confining axons in enclosed microchannels, making them poorly accessible for further investigation. Here we describe a method providing accessible and highly regular arrays of axons, emanating from soma positioned in distinct compartments. This method combines the use of a novel removable partition, allowing soma positioning outside of the axon guidance patterns, and in-mold patterning (iMP), a hybrid method combining chemical and mechanical cell positioning clues applied here for the first time to neurons. The axon guidance efficiency of iMP is compared to that of conventional patterning methods, e.g. micro-contact printing (chemical constraints by a poly-L-lysine motif) and micro-grooves (physical constraints by homogeneously coated microstructures), using guiding tracks of different widths and spacing. We show that iMP provides a gain of 10 to 100 in axon confinement efficiency on the tracks, yielding mm-long, highly regular, and fully accessible on-chip axon arrays. iMP also allows well-defined axon guidance from small populations of several neurons confined at predefined positions in µm-sized wells. iMP will thus open new routes for the construction of complex and accurately controlled neuronal networks.

137046
16553
01/06/2016

Reversible magnetic clamp of a microfluidic interface for the seric detection of food allergies on allergen microarrays

J.FONCY, E.CRESTEL, J.PBORGES, A.ESTEVE, J.C.CAU, C.VIEU, L.MALAQUIN, E.TREVISIOL

ELIA, INNOPSYS

Revue Scientifique : Microelectronic Engineering, Vol.158, pp.16-21, Juin 2016 , N° 16553

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01484322

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Abstract

To provide a robust platform for fluid handling, most microfluidic devices usually involve irreversible bonding methods to achieve a leak free interface between the microchannels and the holding substrate. Such an approach induces a major drawback when biological interactions are performed on a microarray format as it is difficult to recover the biochip for further fluorescence scanner analysis. This work describes an automated microfluidic platform using a reversible magnetic clamp for multiplexed immunodiagnostics. The microfluidic device is composed of a magnetic PDMS layer (containing iron powder) coated by PDMS, which is reversibly clamped to an epoxysilane glass slide containing an array of various antigens. The microfluidic device was validated for in vitro diagnosis of food allergies on an allergen microarray after serum interaction. The statistical analysis of spot intensities (signal to noise ratios) on the microarray displayed excellent reproducibility. In addition to the reduction of volumes provided by miniaturization, this approach is versatile, is easy-to-produce and provides an effective platform for multiplexed immunodiagnosis based on conventional fluorescent detection schemes.

139213
16570
01/06/2016

High speed indentation measures by FV, QI and QNM introduce a new understanding of bionanomechanical experiments

G.SMOLYAKOV, C.FORMOSA, C.SEVERAC, R.DUVAL, E.DAGUE

ELIA, ITAV, SRSMC

Revue Scientifique : Micron, Vol.85, pp.8-14, Juin 2016 , N° 16570

Lien : https://hal.univ-lorraine.fr/hal-01496648

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Abstract

Structural and mechanical mapping at the nanoscale by novel high-speed multiparametric Quantitative Imaging (QI) and PeakForce Quantitative Nanomechanical Mapping (PF-QNM) AFM modes was compared to the classical Force Volume (FV) mapping for the case of living Pseudomonas aeruginosa bacterial cells. QI and PF-QNM modes give results consistent with FV for the whole cells in terms of morphology and elastic modulus, while providing higher resolution and shorter acquisition time. As an important complement, the influence of scanning parameters on elastic modulus values was explored for small 0.2(2) mu m(2) central area on top of cells. The modulus decreases with the indentation depth due to the effect of the hard cell wall, while it increases vs. tip oscillation frequency, displaying viscoelastic behaviour of the living bacterial cells. The ability of different AFM modes to follow correctly the bacteria viscoelastic behaviour at high oscillation frequency was tested.

139427
16170
01/05/2016

Microfluidic platform combining droplets and magnetic tweezers: application to HER2 expression in cancer diagnosis

D.FERRARO, J.CHAMP, B.TESTE, M.SERRA, L.MALAQUIN, J.L.VIOVY, P.DE CREMOUX, S.DESCROIX

Institut Curie, UPMC, ELIA, Paris Diderot

Revue Scientifique : Scientific Reports, Vol.6, 25540p., Mai 2016 , N° 16170

Lien : http://hal.upmc.fr/hal-01323999

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Abstract

The development of precision medicine, together with the multiplication of targeted therapies and associated molecular biomarkers, call for major progress in genetic analysis methods, allowing increased multiplexing and the implementation of more complex decision trees, without cost increase or loss of robustness. We present a platform combining droplet microfluidics and magnetic tweezers, performing RNA purification, reverse transcription and amplification in a fully automated and programmable way, in droplets of 250nL directly sampled from a microtiter-plate. This platform decreases sample consumption about 100 fold as compared to current robotized platforms and it reduces human manipulations and contamination risk. The platform’s performance was first evaluated on cell lines, showing robust operation on RNA quantities corresponding to less than one cell, and then clinically validated with a cohort of 21 breast cancer samples, for the determination of their HER2 expression status, in a blind comparison with an established routine clinical analysis.

137042
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