Depuis plusieurs années, de nouvelles méthodologies basées sur l’utilisation du champ électrique pour agir ou caractériser les cellules ou les tissus cellulaires génèrent de nombreuses avancées et apportent des nouvelles promesses dans les laboratoires de recherche et dans l'industrie : diagnostic de cancer, ElectroChimioThérapie (insertion d’un médicament en perméabilisant les membranes des cellules), thérapie génique (insertion d’un gène thérapeutique), immunothérapie (vaccins anti-tumoraux obtenus par électrofusion de cellules dendritiques et cellules cancéreuses pour réactiver le système immunitaire).L’application d’ impulsions électriques à des cellules ou dans des tissus cellulaires induit un changement sur leurs propriétés, en particulier sur leurs membranes qui deviennent transitoirement perméables, laissant temporairement le passage aux ions et macro-molécules. Les phénomènes induits lors d’une perméabilisation par application de champ électrique ont été partiellement caractérisés en microscopie epi-fluorescence. Pour effectuer un suivi en temps réel de la dynamique du processus de l’électroperméabilisation, une voie prometteuse consiste à caractériser électriquement l’échantillon. Dans cet objectif, mon travail de thèse consiste à mettre en oeuvre le suivi en temps réel de l’évolution des caractéristiques électriques sur une large bande de fréquences d’un tissu cellulaire ou d’une cellule isolée, avant, pendant et après la sollicitation par un champ électrique pulsé.Dans le cadre de ma thèse un modèle du système biologique et de son environnement a été élaboré, afin de mieux décrire des phénomènes observés expérimentalement: effet des sollicitations électriques sur la viabilité cellulaire, sur la perméabilité de la membrane externe, effets induits sur les composés intracellulaires, dynamique de fusion membranaire. Le degré de perméabilisation de l’objet biologique (cellule ou tissu) dépend de manière fortement non-linéaire de nombreux paramètres, ce qui rend complexe l’élaboration de ce modèle et son interprétation. La détection de ce niveau de perméabilisation est effectuée en temps réel (mesure du niveau de perméabilisation avant, pendant et après l’application de l’impulsion électrique). In fine cette approche devrait permettre d’optimiser le taux de perméabilisation cellulaire en fonction de l’application considérée. Ce système de contrôle individuel du niveau de perméabilisation cellulaire pourrait à terme être parallélisé massivement sur une puce dédiée à l’électroporation d’un grand nombre de cellules. Afin d’avoir une vision multi-échelle des effets, l’étude a été menée sur plusieurs modèles expérimentaux: qui vont du tissu (échelle millimétrique) à la cellule unique, en passant par les échelles intermédiaires (caractérisation de spéroides cellulaires).Dans ces deux derniers cas (sphéroide, cellule unique) l’objet biologique est isolé dans une biopuce microfluidique équipée d’électrodes de mesure et d’application du champ (échelle micrométrique).Les micro-dispositifs que j’ai réalisé pour caractériser en temps réel la perméabilisation de cellules, intègrent une géométrie spécifique d’électrodes, ainsi que d'un réseau de canaux microfluidiques pour contrôler le débit de cellules Le degré de miniaturisation de ces puces permet de travailler au niveau de la cellule unique, et appliquer des champs électriques de forte amplitude, de forte fréquence, localisés spatialement. / The increasing interest for new methodologies based on the use of the electric field to characterize the cells or tissue cells and generate brought promising development in research laboratories and industry: cancer diagnosis, electrochemotherapy (insertion of a drug after cell membranes permeabilization), gene therapy (insertion of a therapeutic gene), immunotherapy (anti-tumor vaccines obtained by electrofusion of dendritic cells and cancer cells to activate the immune system).The application of electrical pulses to cells or cell tissues induces a change in their properties, in particular on their membranes which become transiently permeable, and temporarily allow the passage of ions and macromolecules. Effect linked to the permeabilization phenomenon have been partially characterized by epi-fluorescence microscopy. Nevertheless, in order to perform the real-time monitoring of the electroporation process and know its dynamics, the electrical sample characterization is employed. Thus the aim of this work is to implement a real-time monitoring of dielectrical characteristics changes, on a wide frequency range, of a cellular tissue or a single cell, before, during and after the pulsed electric field application.As part of my thesis a model of the biological system has been developed to better describe the phenomena observed experimentally: effect of electrical stress on cell viability, on the permeability of the outer membrane, induced effects on the intracellular compounds, dynamics of membrane fusion.The degree of permeabilization of the biological sample (cells or tissues) is non linearly dependent of several parameters, which makes complicated the development of the model and its interpretation.The detection of a specific level of permeabilization is done in real time (measure of the level of permeabilization before, during and after the electric pulses application). This cell permeabilization level control could eventually be parallelized on a chip dedicated to the electroporation of a large number of cells. The latter can be used to optimize the electric pulses parameters in order to reach the desired permeabilization level. In order to have a multi-scale overview of the phenomenon, the study was performed on different size-level: from the tissue level (millimeter scale) to the single cell model through the intermediate scales (cell spéroides characterization).In the latter two cases (spheroid, single cell) the biological sample is isolated in a microfluidic biochip where the electric field solicitation are applied (micrometer scale).The microdevice designed and fabricated during this work, allows the real time characterization of the cell permeabilization. Furthermore the miniaturization of the system is crucial to work at the level of the single cell, and make possible the application of electrical fields of high amplitude, high frequency and spatially localized.

La filière viti-vinicole se doit de trouver des solutions au cours des années à venir afin de réduire son impact carbone de 20% et de proposer rapidement des alternatives au dioxyde de soufre. Ainsi, ce travail de thèse sur les champs électriques pulsés propose aux professionnels du vin une éco-innovation qui pourrait aider à répondre à ces deux problématiques. L’éco-innovation est de plus en plus considérée comme la clé de la compétitivité future dans le cadre du développement durable. Toutefois, avant d’être intégrée dans la production du vin, l’éco-innovation doit démontrer sa performance et son efficacité sans nuire à la qualité du produit et à la sécurité des consommateurs et doit être approuvée par les instances gouvernementales (OIV, UE...). A ce titre, la thèse a reçu un soutien financier conjoint du CIVB et de l’ADEME. Le principe des Champs Electriques Pulsés (CEP) est d’appliquer à un produit des impulsions électriques de quelques kilovolts durant un temps très court (quelques microsecondes) et répétées n fois. Les cellules contenues dans le produit traité (raisins, moût ou vin) voient leur potentiel transmembranaire augmenter jusqu’à l’induction de pores dans les membranes. L’irréversibilité des pores aboutit à l’extraction des composés cellulaires mais aussi à la mort des cellules. Ainsi, cette technologie, suivant le moment de son application en vinification et les paramètres opératoires, permet l’extraction des composés d’intérêts organoleptiques tels que les polyphénols mais aussi l’inactivation des microorganismes. Les CEP prennent en compte trois aspects importants pour la durabilité d’une technologie: l'environnement, l'économie et la qualité. En effet, cette technique a une série d'avantages pour le producteur de vins: elle est propre, rapide, peu chère, efficace, industrialisable et automatisable. Comparée à d’autres traitements tels que la pasteurisation, la filtration stérilisante, la thermovinification, la macération à chaud ou à froid, la cryoextraction ou encore la flash-détente, la consommation d'énergie est faible (quelques dizaines de kWh/tonne). La technologie des CEP est respectueuse de l’environnement puisqu’elle nécessite peu d’énergie et aucun intrant chimique. Elle est rapide et efficace car la durée du traitement n’est que de quelques dizaines à centaines de millisecondes. Enfin, les CEP sont une technologie non thermique et donc ne dégradent pas les molécules thermosensibles telles que les arômes. Les objectifs de ce travail de recherche ont été de comprendre l’effet des CEP sur les cellules, de déterminer les paramètres de traitement des CEP à employer pour réaliser l’extraction de composés d’intérêt des raisins et pour inactiver des microorganismes afin de stopper la fermentation alcoolique des vins liquoreux et de stabiliser microbiologiquement les vins rouges avant leur mise en bouteille en conservant la qualité du produit traité. / The wine industry needs to find solutions in the coming years to reduce its carbon footprint by 20% and quickly propose alternatives to sulphur dioxide usage. This work on pulsed electric fields offers wine professionals an eco-innovation that could help to address these two issues. Eco-innovation is increasingly seen as the key to future competitiveness in the context of sustainable development. However, before being integrated in wine production, eco-innovation must demonstrate its performance and efficiency without compromising product quality and consumers safety so that it could be approved by government authorities (OIV, EU ...). As such, this thesis has received a joint financial support from the CIVB and the ADEME. The principle of Pulsed Electric Field (PEF) is to apply to a product; electrical pulses of a few kilovolts in a very short period time (a few microseconds) and then repeated n times. During treatment (grapes, grape must or wine) cells transmembrane potential increases till the induction of pores in the membranes. The irreversibility of the pores leads not only to the extraction of cellular components but also cell death. Thus, depending on the time of this technology application in winemaking and operating parameters, allows the extraction of sensory interests compounds such as polyphenols or the inactivation of microorganisms. PEF takes into account three important aspects to the sustainability of a technology: environment, economy and quality. This technique has a number of advantages for wine producers: clean, fast, inexpensive, efficient, industrializable and automated. Compared to other treatments such as pasteurization, sterile filtration, thermovinification, hot or cold maceration, cryoextraction or flash-release, its energy consumption is low (a few tens of kWh / tonne). PEF technology is environmentally friendly, as it requires little energy and no chemical inputs. It is fast and efficient because the processing time is only a few tens to hundreds of milliseconds. Finally, this technique is a non-thermal and therefore does not degrade the heat-sensitive molecules such as flavours. The objectives of this research work was to understand the effect of PEF on the cells, to determine the processing parameters during the extraction of compounds of interest grapes and to inactivate microorganisms in order to stop alcoholic fermentation of sweet wines and stabilize microbiologically red wines before bottling maintaining the quality of the processed product.

Les champs électriques pulsés sont largement utilisés dans la recherche, la médecine, l'industrie alimentaire et d'autres procédés biotechnologiques. L'interaction d'une impulsion de 100 µs avec la membrane plasmique et la membrane du réticulum endoplasmique a été évaluée dans deux types cellulaires différents. La perméabilisation des organites cellulaires avec ce type d'impulsions est démontrée expérimentalement pour la première fois. L'utilisation d'une telle impulsion afin de contrôler les oscillations calciques spontanées dans les cellules souches mésenchymateuses humaines issues du tissu adipeux a été évaluée. En créant des pics calciques électro-induits d’amplitudes différentes, l'impulsion peut ou bien induire un pic calcique supplémentaire ou bien inhiber les oscillations spontanées pour quelques dizaines de minutes. Cette inhibition rend possible d’imposer à la cellule des pics d’amplitude et de fréquence désirés. Un essai d’application de l'impulsion 100 µs à des cellules souches subissant une différenciation osseuse a aussi été réalisé. Une impulsion électrique semble retarder la différenciation. Lors d'une différenciation osseuse, plusieurs couches cellulaires ont été observées. La caractérisation de ces couches a donné des résultats qui pourraient aider à obtenir des ostéoblastes matures dans un temps moindre que la normale. L'utilisation des champs électriques pulsés microsecondes, pour perméabiliser la membrane plasmique et les membranes internes des cellules, ainsi que pour moduler les concentrations du calcium intracellulaire, semble donc très intéressante pour étudier le rôle du calcium dans de nombreux processus physiologiques et pour manipuler les dynamiques calciques (oscillations, vagues, pics) dans différents types de cellules. Ainsi, cette technologie simple, facile à appliquer et disponible dans beaucoup de laboratoires serait envisageable pour la modulation et le contrôle de fonctions cellulaires basiques telles que la prolifération, la différenciation et l'apoptose. / Pulsed electric fields are widely used in research, medicine, food industry and other biotechnological processes. The interaction of one 100 µs pulse with the plasma membrane and the endoplasmic reticulum membrane was evaluated in two different cell types. Pulse amplitude ranged between 100 and 3 000 V/cm. Organelles membrane permeabilization using this kind of pulses was experimentally demonstrated for the first time. The use of such a pulse to control the spontaneous calcium oscillations in human-adipose mesenchymal stem cells was also assessed. By creating electro-induced calcium spikes of different amplitudes, the pulse can either add a supplementary spike, or, on the contrary, inhibit the spontaneous oscillations for some tens of minutes. During this inhibition period, the electric pulse-mediated addition of calcium spikes of desired amplitude and frequency is still possible. The delivery of 100 µs pulses to stem cells undergoing osteodifferentiation was also performed. The electric pulse seemed to delay the differentiation. Moreover, during osteogenic differentiation, cells cultures displayed an organization in a few cell layers. The characterization of these layers gave results that may help to obtain mature osteoblast in less time than usual one. The use of the microsecond electric pulses technology to permeabilize the plasma and the internal cell membranes as well as to modulate internal calcium concentrations is therefore interesting to study the role of calcium in many physiological processes and to manipulate the cell calcium dynamics (oscillations, waves, spikes) in different cell types. Doing so, this available, simple and easy to apply technology could be used for the modulation and the control of basic cellular functions such as proliferation, differentiation and apoptosis.