M. LAYACHI

Soutenance : 27 janvier 2021
Thèse de doctorat en Micro-nanosystèmes et capteurs, Université de Lille,
Projet associé : RENATECH

Résumé :

La transfection de cellules vise à injecter du matériel génétique dans des cellules biologiques vivantes. L’incorporation intracellulaire de molécules exogènes est un processus nécessaire en diagnostique et une étape clef dans la thérapie génique. Ces enjeux nécessitent des performances en terme d’efficacité (cellules viables positives), de qualité (incorporation) et de rendement (cadence de traitement). Des recherches sur les mécanismes limitant l’incorporation naturelle de macromolécules (endocytose) sont menées et des techniques sont développées pour surmonter les barrières cellulaires et réaliser le transfert intracellulaire de manière contrôlée. Cependant, ces systèmes biologiques, chimiques ou physiques présentent certains inconvénients. La photoporation par intermédiaire de nanoparticules d’or (AuNP) réalise néanmoins des performances intéressantes en perméabilisant les membranes cellulaires grâce à des nano-bulles de vapeur (VNB) générées par laser. Une nouvelle approche est présentée ici de photoporation en environnement microfluidique dans le but d’améliorer le rendement et de garantir la séparation entre les cellules et les AuNP afin d’obtenir un échantillon sans éléments cytotoxiques. Nous avons développé un nouveau système opto-fluidique intégrant des AuNP en suspension pour générer des VNB au voisinage des cellules. Cette méthode permet un rendement et un taux de transfection élevés et réduit la cytotoxicité de la transfection. L’approche permet le contrôle de la distance entre cellules et AuNP. En l’état, le rendement du dispositif peut atteindre 10³ à 10⁴ cell. /min . Surtout, la séparation réalise une meilleure viabilité des cellules photoporées en comparaison avec la méthode sans séparation (80% contre 40%) mais réduit le taux de transfection (30% contre 50%) : l’augmentation de la distance améliore la viabilité. Outil rhéologique ou de transfection, ce dispositif est une étape supplémentaire vers la transfection efficace et bio-compatible de cellule unique, un atout majeur pour le développement clinique des nouvelles thérapies cellulaires.

Abstract :

Cell transfection aims at injecting genetic material into living biological cells. The intracellular incorporation of exogenous molecules is a necessary process in diagnostics and a key step in gene therapy. These challenges require performance in terms of efficiency (viable positive cells), quality (incorporation) and yield (treatment rate). Research on the mechanisms limiting the natural incorporation of macromolecules (endocytosis) is being conducted and techniques are being developed to overcome cellular barriers and perform intracellular transfer in a controlled manner. However, these biological, chemical or physical systems have some drawbacks. However, gold nanoparticle (AuNP) mediated photoporation achieves interesting performances by permeabilizing cell membranes with laser generated vapour nanobubbles (VNBs). A new approach is presented here for photoporation in a microfluidic environment in order to improve the yield and to guarantee the separation between cells and AuNPs in order to obtain a sample free of cytotoxic elements. We have developed a new optofluidic system integrating AuNPs in suspension to generate VNBs in the vicinity of the cells. This method allows high yield and transfection rate and reduces transfection cytotoxicity. The approach allows control of the distance between cells and AuNPs. As it is, the device yield can reach 10³ to 104 cells/min . Most importantly, the separation achieves a better viability of photoporinated cells compared to the method without separation (80% vs. 40%) but reduces the transfection rate (30% vs. 50%): increasing the distance improves viability. As a rheological or transfection tool, this device is a further step towards efficient and bio-compatible single cell transfection, a major asset for the clinical development of new cell therapies.