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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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53documents 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

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

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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 : 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

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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
18283
01/08/2018

Direct laser fabrication of meso-scale 2D and 3D architectures with micrometric feature resolution

A.ACCARDO, R.COURSON, R.RIESCO ALVAREZ, V.RAIMBAULT, L.MALAQUIN

ELIA, TEAM, MEMS, MICA

Revue Scientifique : Additive Manufacturing, Vol.22, pp.440-446, Août 2018 , N° 18283

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01875364

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Abstract

The realization of 2D and 3D meso-scale architectures is an area of research involving a wide range of disciplines ranging from materials science, microelectronics, phononics, microfluidics to biomedicine requiring millimeter to centimeter-sized objects embedding micrometric features. In the recent years, several technologies have been employed to provide optimal features in terms of object size flexibility, printing resolution, large materials library and fabrication speed. In this work, we report a fully customizable single-photon absorption 3D fabrication methodology based on direct laser fabrication. To validate this approach and highlight the versatility of the setup, we have fabricated a comprehensive ensemble of 2D and 3D designs with potential applications in biomimetics, 3D scaffolding and microfluidics. The high degree of tunability of the reported fabrication system allows tailoring the laser power, slicing and fabrication speed for each single area of the design. These unique features enable a rapid prototyping of millimeter to centimeter-sized objects involving 3D architectures with true freestanding subunits and micrometric feature reproducibility. The presented strategy fills indeed the current technological gap related to the development of meso-scale architectures required in multidisciplinary fields of research.

144617
18513
01/08/2018

Electrical discharges in water induce spores' DNA damage

C.LAMARCHE, C.DA SILVA, G.DEMOL, E.DAGUE, M.P.ROLS, F.PILLET

IPBS, ITHPP sas, ELIA, LISBP

Revue Scientifique : Plos One, Août 2018 , N° 18513

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01907680

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Abstract

Bacterial spores are one of the most resilient life forms on earth and are involved in many human diseases, such as infectious diarrhea, fatal paralytic illnesses and respiratory infections. Here, we investigated the mechanisms involved in the death of Bacillus pumilus spores after exposure to electric arcs in water. Cutting-edge microscopies at the nanoscale did not reveal any structural disorganization of spores exposed to electric arcs. This result suggested the absence of physical destruction by a propagating shock wave or an exposure to an electric field. However, Pulsed-Field Gel Electrophoresis (PFGE) revealed genomic DNA damage induced by UV radiation and Reactive Oxygen Species (ROS). UV induced single-strand DNA breaks and thymine dimers while ROS were mainly involved in base exci-sion. Our findings revealed a correlation between DNA damage and the treatment of spores with electrical discharges.

146193
18347
01/06/2018

The Role of Glycans in Bacterial Adhesion to Mucosal Surfaces: How Can Single-Molecule Techniques Advance Our Understanding?

C.FORMOSA, M.CASTELAIN, H.MARTIN YKEN, K.DUNKER, E.DAGUE, M.SLETMOEN

LISBP, NTNU, Trondheim, ELIA

Revue Scientifique : Microorganisms, Vol.6, N°2, Juin 2018 , N° 18347

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01907666

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Abstract

Bacterial adhesion is currently the subject of increased interest from the research community, leading to fast progress in our understanding of this complex phenomenon. Resent research within this field has documented the important roles played by glycans for bacterial surface adhesion, either through interaction with lectins or with other glycans. In parallel with this increased interest for and understanding of bacterial adhesion, there has been a growth in the sophistication and use of sensitive force probes for single-molecule and single cell studies. In this review, we highlight how the sensitive force probes atomic force microscopy (AFM) and optical tweezers (OT) have contributed to clarifying the mechanisms underlying bacterial adhesion to glycosylated surfaces in general and mucosal surfaces in particular. We also describe research areas where these techniques have not yet been applied, but where their capabilities appear appropriate to advance our understanding.

145048
18179
23/05/2018

Simple Synthetic Molecular Hydrogels from Self- Assembling Alkylgalactonamides as Scaffold for 3D Neuronal Cell Growth

A.CHALARD, L.VAYSSE, P.JOSEPH, L.MALAQUIN, S.ASSIE-SOULEILLE, B.LONETTI, J.C.SOL, I.LOUBINOUX, J.FITREMANN

MILE, INSERM, ELIA, I2C, IMRCP

Revue Scientifique : ACS applied materials & interfaces, Vol.10, N°20, pp.17004-17017, Mai 2018 , N° 18179

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01810656

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Abstract

In this work, we demonstrated that the hydrogel obtained from a very simple and single synthetic molecule, N-heptyl-galactonamide was a suitable scaffold for the growth of neuronal cells in 3D. We evidenced by confocal microscopy the presence of the cells into the gel up to a depth of around 200 µm, demonstrating that the latter was permissive to cell growth and enabled a true 3D colonization and organization. It also supported successfully the differentiation of adult human neuronal stem cells (hNSCs) into both glial and neuronal cells and the development of a really dense neurofilament network. So the gel appears to be a good candidate for neural tissue regeneration. In contrast with other molecular gels described for cell culture, the molecule can be obtained at the gram scale by a one-step reaction. The resulting gel is very soft, a quality in accordance with the aim of growing neuronal cells, that requires low modulus substrates similar to the brain. But because of its fragility, specific procedures had to be implemented for its preparation and for cell labeling and confocal microscopy observations. Notably, the implementation of a controlled slow cooling of the gel solution was needed to get a very soft but nevertheless cohesive gel. In these conditions, very wide straight and long micrometric fibers were formed, held together by a second network of flexible narrower nanometric fibers. The two kinds of fibers guided the neurite and glial cell growth in a different way. We also underlined the importance of a tiny difference in the molecular structure on the gel performances: parent molecules, differing by a one-carbon increment in the alkyl chain length, N-hexyl-galactonamide and N-octyl-galactonamide, were not as good as N-heptyl-galactonamide. Their differences were analysed in terms of gel fibers morphology, mechanical properties, solubility, chain parity and cell growth.

143937
18520
01/04/2018

Direct laser fabrication of free-standing PEGDA-hydrogel scaffolds for neuronal cell growth: Engineering 3D biocompatible microenvironments

A.ACCARDO, MC.BLATCHE, R.COURSON, I.LOUBINOUX, C.VIEU, L.MALAQUIN

ELIA, I2C, TEAM, INSERM

Revue Scientifique : Materials Today, Vol.21, N°3, pp.315-316, Avril 2018 , N° 18520

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01886538

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146232
18104
13/03/2018

Bone degradation machinery of osteoclasts: An HIV-1 target that contributes to bone loss

B.RAYNAUD-MESSINA, L.BRACQ, M.DUPONT, S.SOURIANT, S.M.USMANI, A.PROAG, K.PINGRIS, V.SOLDAN, C.THIBAULT, F.CAPILLA, T.AL SAATI, I.GENNERO, P.JURDIC, P.JOLICOEUR, J.L.DAVIGNON, T.R.MEMPEL, S.BENICHOU, I.MARIDONNEAU-PARINI, C.VEROLLET

IPBS, INSERM, Paris, Harvard Medical Sch, Multiscale Electron, ELIA, INSERM, Centre de Physiopathologie, ENS Lyon, IRCM, Montreal

Revue Scientifique : Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol.115, N°11, pp.E2556-E2565, Mars 2018 , N° 18104

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01764831

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Abstract

Bone deficits are frequent in HIV-1–infected patients. We report here that osteoclasts, the cells specialized in bone resorption, are infected by HIV-1 in vivo in humanized mice and ex vivo in human joint biopsies. In vitro, infection of human osteoclasts occurs at different stages of osteoclastogenesis via cell-free viruses and, more efficiently, by transfer from infected T cells. HIV-1 infection markedly enhances adhesion and osteolytic activity of human osteoclasts by modifying the structure and function of the sealing zone, the osteoclast-specific bone degradation machinery. Indeed, the sealing zone is broader due to F-actin enrichment of its basal units (i.e., the podosomes). The viral protein Nef is involved in all HIV-1–induced effects partly through the activation of Src, a regulator of podosomes and of their assembly as a sealing zone. Supporting these results, Nef-transgenic mice exhibit an increased osteoclast density and bone defects, and osteoclasts derived from these animals display high osteolytic activity. Altogether, our study evidences osteoclasts as host cells for HIV-1 and their pathological contribution to bone disorders induced by this virus, in part via Nef.

143360
18022
27/02/2018

Two-photon lithography and microscopy of 3D hydrogel scaffolds for neuronal cell growth

A.ACCARDO, MC.BLATCHE, R.COURSON, I.LOUBINOUX, C.VIEU, L.MALAQUIN

ELIA, I2C, TEAM, INSERM

Revue Scientifique : Biomedical Physics & Engineering Express, Vol.4, N°2, 027009p., Février 2018 , N° 18022

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01698486

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Abstract

3D fabrication techniques are rapidly expanding in the field of scaffold development for cell culture and tissue engineering. Herein we report the realization of free-standing PEGDA hydrogel architectures by using two-photon lithography. The morphological and immunofluorescence characterization of neuro2A cells revealed a tridimensional colonization featuring multiple neuritic extensions per cell as well as the expression of β-tubulin neuronal marker and actin microfilaments. The results open new perspectives in the continuous quest for structured biomaterials able to provide a favorable environment to cells and at the same time not interfering with imaging protocols necessary for a clear scenario of the cell seeding.

142468
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