L’infection par le virus de l'immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) entraîne le dysfonctionnement du système immunitaire menant à la déplétion de lymphocytes TCD4 (LTCD4) dans les tissus lymphoïdes. Cette diminution cellulaire est causée par la lyse cellulaire virale, par la cytotoxicité dépendante des lymphocytes TCD8 (LTCD8), par l’apoptose des LTCD4 bystanders et par un effet cytopathique des facteurs solubles libérés pendant l’infection. Les exosomes, des vésicules (30-100 nm) d’origine endosomale, ont également été impliqués dans la déplétion des cellules bystanders. En effet, ils portent des molécules participant à la mort cellulaire (Nef, Apaf-1, Dap-3) dérivées de cellules infectées par le VIH-1. Les exosomes et les particules de VIH-1 ont plusieurs similitudes de forme, de composition protéique et lipidique, ainsi que de contenu en acide nucléique. La biogenèse des exosomes converge avec le bourgeonnement des particules virales dans les endosomes de cellules dendritiques (CDs). De même, ces vésicules sont libérées conjointement avec les particules virales vers les LTCD4. Le DCIR (dendritic cell immunoreceptor), une lectine membranaire de type C, agit comme un facteur d’attachement et d’internalisation du VIH-1. Le DCIR augmente donc la production virale sur les LTCD4 et les CDs. Nous avons montré précédemment que l’infection virale des CDs favorise la libération des exosomes dans le milieu extracellulaire. Par ce travail, nous avons montré que le DCIR et ses voies de signalisation étaient impliqués dans la libération ou l’accumulation des exosomes dans les milieux extracellulaires après le contact avec le VIH-1. Nous avons aussi observé que l’inhibition extracellulaire du DCIR sur les CDs a affecté la sécrétion des exosomes induite par le VIH-1. Enfin, nos résultats ont également affirmé que les exosomes dérivés de cellules infectées par le VIH-1 induisaient l’apoptose des LTCD4 Th17, alors qu’ils protègent les neutrophiles. L’ensemble des résultats nous permet d’améliorer la compréhension de la pathogenèse du VIH-1 en mettant en évidence le rôle que joue le DCIR dans la sécrétion des exosomes.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / La cornée, transparente, agit comme le hublot de notre œil et transmet la lumière jusqu'à la rétine où l'image est reconstituée. En raison de sa localisation anatomique superficielle, la cornée est particulièrement vulnérable aux traumatismes de toutes sortes. Certaines blessures graves des retards dans le traitement ou des traitements inadéquats peuvent mener à des déficiences visuelles importantes pouvant aller jusqu'à la cécité. La guérison des plaies cornéennes est un mécanisme complexe faisant intervenir plusieurs processus cellulaires dont la migration, la prolifération, la différenciation et la communication cellule-cellule. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés plus particulièrement à deux composantes que nous considérons importantes dans la guérison des plaies cornéennes, soit 1) la communication intracellulaire via les intégrines et 2) la communication intercellulaire entre les différentes couches de la cornée (épithélium, stroma et endothélium) via les exosomes. Pour ce faire, nous avons utilisé deux principaux modèles d'étude, soit un modèle en culture monocouche de cellules cornéennes primaires et un modèle 3D de cornée humaine reconstruite par génie tissulaire. Grâce à des études antérieures menées au sein du laboratoire, nous avons identifié trois médiateurs signalétiques en aval de la signalisation par les intégrines qui jouent un rôle important dans le processus de cicatrisation de la cornée, soit CREB, Akt et WNK1. Nous avons donc poursuivi l'étude de ces médiateurs signalétiques d'une part en approfondissant les mécanismes par lequel WNK1 exerce ses effets sur la guérison des plaies cornéennes, et d'autre part, en évaluant l'efficacité des nanoparticules d'or (AuNPs) comme vecteurs de relargage pour deux agents pharmacologiques ciblant CREB et Akt afin d'accélérer la guérison des plaies in vitro et in vivo. Les travaux présentés au chapitre I de cette thèse ont permis de démontrer que : i) la réduction de l'activité et de l'expression d'un grand nombre de facteurs de transcription, et ii) la régulation du patron d'expression génique dans les cellules épithéliales de cornée humaine étaient deux mécanismes majeurs pouvant expliquer pourquoi l'inhibition de WNK1 entraine un retard dans la guérison des plaies cornéennes. Les travaux présentés au chapitre II ont, quant à eux, été utiles afin de démontrer l'innocuité et l'efficacité des AuNPs in vitro. Nous nous sommes ensuite intéressés aux exosomes de la cornée humaine et à leur impact dans la guérison des plaies cornéennes. Les travaux présentés au chapitre III de cette thèse ont permis de démontrer qu'il est possible d'enrichir et de caractériser les exosomes des trois types cellulaires de la cornée. De plus, ils ont permis de mettre en lumière le potentiel intéressant qu'ont les exosomes à accélérer la vitesse de guérison de l'épithélium cornéen. Collectivement, ces résultats auront contribué à une meilleure compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la cicatrisation des plaies cornéennes. Ces études auront aussi permis de confirmer le rôle de WNK1 et des exosomes dans la guérison des plaies cornéennes, en plus d'illustrer le potentiel des AuNPs à être utilisées comme vecteurs de médicaments en ophtalmologie.

Plusieurs aspects de la réponse immunitaire sont dérégulés de manière irréversible au cours de la phase aiguë de l'infection par le virus de l’immunodéficience de type 1 (VIH-1) menant à une activation immunitaire élevée et une inflammation généralisée impliquées dans l’épuisement du système immunitaire et la progression de la maladie. Nos travaux précédents ont mis en évidence une production plus élevée de vésicules extracellulaires (VE) appelées exosomes par les cellules dendritiques (CD) exposées au VIH-1. Ces exosomes ayant un effet pro-apoptotique sur les lymphocytes T CD4 (LT CD4), ils peuvent ainsi accentuer la déplétion de ces cellules, déjà initiée par l’infection elle-même. Produites par une grande variété de cellules et libérées dans de nombreux fluides corporels, les VE sont le reflet de leur cellule d’origine et peuvent transporter des protéines mais aussi du matériel génétique (ARN, microARN) aux cellules voisines faisant d’elles des messagers essentiels à la communication intercellulaire. De par leur contenu, les VE sont impliquées dans différents processus biologiques dont la modulation de la réponse immunitaire. En s’appuyant sur ces données et sur l’implication des microARN dans la modulation des réponses immunitaires, l’hypothèse du rôle des VE dans la mise en place et l’entretien des perturbations immunitaires associée à la pathogenèse au VIH-1, notamment via leur contenu en microARN, a émergé. Mes travaux de doctorat ont montré un profil en VE plasmatiques spécifique associé au statut clinique des sujets infectés par le VIH-1. La quantité et la taille des VE retrouvées dans le plasma de sujets infectés non traités sont plus élevées que chez les individus contrôles et corrèlent avec la déplétion en LT CD4 ou la baisse du ratio CD4/CD8, considérés comme des marqueurs de l’évolution de la maladie, soulignant le potentiel biomarqueur des VE dans la progression de l’infection. De plus, ces données révèlent un enrichissement des VE en microARN, dont le miR-155, auparavant décrit dans la modulation de différentes réponses immunitaires. L’inoculation subséquente d’une production virale enrichie en VE miR-155-positives dans un modèle de souris humanisées a mis en évidence la contribution du miR-155 vésiculaire dans le développement des perturbations immunitaires et la progression de la pathogenèse associée à l’infection par le VIH-1. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes participant à l’enrichissement du miR-155 dans les VE permettrait éventuellement un contrôle de l’épuisement immunitaire caractéristique de l’infection par le VIH-1 et, à plus long terme, ouvrirait de nouvelles perspectives pour le développement de thérapies. / Several aspects of the immune response are irreversibly dysregulated during the acute phase of HIV-1 infection leading to a generalized immune activation and inflammation which are involved in immune cells depletion and disease progression. Our previous work revealed a higher production of extracellular vesicles (EVs) called exosomes by HIV-1 pulsed dendritic cells (DCs). These exosomes displayed pro-apoptotic effect on CD4 T lymphocytes (CD4 TL), and thus increase the depletion of these cells, already initiated by the infection itself. Produced by a wide variety of cells and released into body fluids, EVs, which reflect cellular origin, are believed to function as messengers in intercellular communication delivering proteins and genetic material (RNA, microRNA) to neighboring cells. By their content, EVs are involved in various biological processes including the modulation of immune responses. Based on these data and the involvement of microRNAs in immune response modulation, the hypothesis assuming the role of EVs in the establishment and maintenance of immune disruptions during HIV-1 pathogenesis, notably through their microRNA content, has emerged. My doctoral research showed a specific profile of plasma EVs associated with clinical status of HIV-1 infected patients. The amount and size of EVs present in the plasma of HIV-1- infected patients’ naïve for treatment were higher than those from healthy individuals and correlate with CD4 TL depletion or CD4/CD8 ratio decrease, which are considered markers of disease progression. These data highlight the biomarker potential of EVs. Furthermore, microRNAs are enriched in EVs, including miR-155, previously described in different immune responses. Subsequent inoculation of EV-borne miR-155-enriched-virus in a humanized mouse model revealed that vesicular miR-155 can contribute to the development of immune disruptions and the progression of HIV-1-associated pathogenesis. To conclude, a greater understanding of the mechanisms involved in miR-155 enrichment in EVs would help to control the immune exhaustion characteristic of HIV-1 infection and, on long-term, would open new perspectives for therapies.

Natural Killer (NK) cell based immunotherapies have demonstrated success against malignancies and hematological cancers. However, tumors have developed mechanisms to evade detection by and suppress the immune system, commonly through altering the expression of cell-surface proteins. Overexpression of human leukocyte antigen-E (HLA-E), which binds to the inhibitory NKG2A on NK cells, protects malignant cells from lysis. Downregulating the NKG2A receptor on NK cells should release NK cell inhibition, but proves challenging as NK cells are difficult to transfect and no good methods currently exist. This project is designed to investigate the use of exosomes – small vesicles and natural carriers of regulatory microRNAs (miRNAs) and proteins that are shed from cells – as delivery vehicles for small RNAs (sRNAs) to immune cells. Exosomes are biologically compatible, immunologically inert, and interact with target cells through receptor-ligand interactions, allowing for targeted delivery of cargo. Exosomes loaded with shRNA against NKG2A were cultured in vitro with NK cells. Delivery success was assessed by monitoring NKG2A receptor expression on NK cells through flow cytometry. This research will provide valuable information that will likely impact the delivery of RNA therapeutics and unlock the full cytotoxic potential of NK immunotherapy.

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La thérapie génique, appelée aussi génothérapie, est une stratégie thérapeutique utilisable en principe pour traiter de nombreuses maladies génétiques. Une variation récente de cette approche thérapeutique utilise le système bactérien CRISPR/Cas9 (The Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9)) pour modifier les gènes défectueux des patients atteints d'une maladie héréditaire. Ce système a déjà démontré sa grande capacité à modifier l'ADN chromosomique in vitro ainsi que in vivo mais le problème majeur réside au niveau de la livraison des composantes du système CRISPR, soit la Cas9 et un ARN guide (ARNg). Malgré l'existence de plusieurs vecteurs de livraison viraux ou non viraux, les Adeno-associated virus (AAV) sont les virus les plus utilisés pour livrer des gènes thérapeutiques aux cellules in vitro et aux animaux et aux humains in vivo. Malheureusement, cet outil de livraison commence à démontrer ses limites à cause de sa capacité d'empaquetage très limitée (environ 4.8 kb) par rapport à d'autres outils de livraison et à cause de son immunogénicité. Ces limitations nous amènent à développer une nouvelle approche qui pourrait être plus puissante et beaucoup moins immunogène soit l'utilisation des vésicules extracellulaires produites par toutes les cellules de l'organisme et qui constituent un outil de communication cellulaire. Les travaux de ce mémoire démontrent qu'il est possible d'introduire la protéine Cas9 et plus spécifiquement la Cas9 du Streptococcus pyogène (SpCas9) dans les vésicules extracellulaires. L'utilisation de ces vésicules nous a permis de livrer la SpCas9 à des cellules in vitro et d'induire une édition génique. / Gene therapy, also called genotherapy, is a therapeutic strategy used to treat many genetic diseases. A recent variation of this technology uses the bacterial CRISPR/Cas9 system, The Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) to modify the defective genes of affected patients. This system has already demonstrated its great capacity to modify chromosomal DNA in vitro as well as in vivo, but the major problem lies in the delivery of the CRISPR components (i.e., the Cas9 gene or protein and its guide RNA (gRNA)). Despite the existence of several viral and non-viral delivery vectors, Adeno-associated viruses (AAV) are the most used vector to deliver therapeutic genes to cells in vitro and to animals and humans in vivo. Unfortunately, this delivery vector is starting to demonstrate its limitations due to its very limited packaging capacity (about 4.8 kb) compared to other delivery vectors and due also to its immunogenicity. These limitations lead us to develop a new approach that could be more powerful and much less immunogenic such as extracellular vesicles, which are produced by all cell types in the body, and which constitute an inter-cellular communication tool. Our work demonstrates that we are able to introduce the Cas9 protein, more specifically the Streptococcus pyogene Cas9 (SpCas9) into extracellular vesicles. These vesicles allowed us to deliver the SpCas9 to cells in vitro and to induce genetic editing.

Le muscle squelettique est le plus grand organe du corps humain. Il est maintenant admis que c'est un organe sécréteur de cytokines qui jouent un rôle important comme signaux paracrines et endocrines. Récemment, il a été démontré que le muscle squelettique sécrète aussi des nanovesicules appelées « exosomes ». Dans ce contexte, notre équipe a démontré que les exosomes sécrétés par les cellules musculaires avaient un effet paracrine et étaient impliqués dans la prolifération et la différenciation musculaire. Comme il est admis que la masse musculaire est affectée par différentes situations physiologiques (la nutrition et l'activité physique) ou pathologiques (obésité, le diabète et la sarcopénie), nous nous sommes demandés, dans un premier temps, quel était le rôle des exosomes dans la régulation de la masse musculaire et s'ils pouvaient modifier les dialogues muscle-organes insulino-sensibles au cours d'un régime riche en acide gras saturé. Ces travaux ont donné lieu à 2 articles publiés dans « Diabetologia ». Dans ces deux articles, nous avons démontré dans un modèle de souris que le muscle, en situation d'insulino-résistance due à un régime riche en acide gras saturé, sécrète plus d'exosomes. De plus, ces exosomes ont une composition modifiée en acides gras et en microARN. In vitro, cette nouvelle population d'exosomes affectent la prolifération des cellules receveuses i.e. ; cellules musculaires et cellules béta pancréatiques, in vitro, en régulant les gènes du cycle cellulaire et de différenciation dans les cellules musculaires receveuses et le gène pitx2 dans les cellules beta. Ces travaux suggèrent que les exosomes sécrétés par le muscle squelettique, perturbent l'homéostasie musculaire et pancréatique durant un régime riche en acide gras saturé.Dans un deuxième temps, nous avons réalisé une étude technique afin de déterminer les conditions optimales pour isoler la quantité maximale des exosomes, relarguées par les cellules musculaires. Cette étude, publiée dans « BMC Biotechnology », a démontré que cultiver des cellules musculaires dans un milieu sans exosomes de sérum de veau ou de cheval, ralentie leur prolifération et par conséquent leur différenciation. Ceci suggère que les exosomes des sérums des milieux de culture participent à la croissance des cellules musculaires. De façon intéressante, ce résultat mime le cross-talk entre myoblastes et myotubes précédemment démontré au laboratoire et laisse suggérer un rôle plus général des exosomes circulant dans les processus d'hypertrophie, hyperplasie mis en place durant le développement. De plus, ces résultats indiquent que les exosomes pourraient participer aux cross-talks entre espèces / Skeletal muscle (SkM) is considered as a secretory organ, it secretes cytokines named myokines that can act either locally (autocrine) or systemically (endocrine). In addition to myokines, SkM secretes nanovesicles named exosomes (SkM-Exos). Previous work from the laboratory have demonstrated that myotube- and myoblastderived exosomes were involved in the process of myogenesis and could transfer their content to target cells. In this work, we determined whether SkM-Exos wereinvolved in lipid-induced insulin resistance and participate in organ cross-talk during the development of obesity. Firstly, we determined the effect of high fat diet on SkM-Exo release and on their miRNA and lipid composition. In addition, we determined the biological effect of these exosomes on skeletal muscle and pancreatic recipient cells. Results are published in 2 separate papers in “Diabetologia”. In these two studies, exosomes were collected from quadriceps muscles of C57Bl/6 mice fed for 16 weeks with either a standard chow diet (SD) or an SD enriched with 20% palm oil (HP) or from C2C12 cells exposed to 0.5 mmol/l palmitate (EXO-Post Palm), oleate (EXO-Post Oleate) or BSA (EXO-Post BSA). We treated skeletal muscle cells or β pancreatic cells with these muscle-released exosomes. We found that exosomes from HP fed mice, EXO-Post Palm and EXO-Post Oleate induced myoblast and β pancreatic islet proliferation and modified the expressions of genes involved in cell cycle and muscle differentiation but did not alter insulin-induced Akt phosphorylation in muscle cells. Lipidomic analyses showed that exosomes from palmitate-treated cells were enriched in palmitate, indicating that exosomes likely transfer the deleterious effect of palm oil between muscle cells by transferring lipids. Also, we demonstrated that these exosomes likely transfer their miRNA contents resulting in beta pancreatic islet hypertrophy during type 2 diabetes mellitus (T2D). Moreover, muscle exosomes were incorporated into various tissues in vivo, including the pancreas and liver, suggesting that SkM could transfer specific signals through the exosomal route to key metabolic tissues in vivo. So, SkM derived exosomes altered muscle and β pancreatic cell homeostasis during lipid induced insulin resistant diet. Secondly, another work was conducted in order to answer to a technical problem about optimal conditions needed to obtain, in vitro, the highest concentration of exosomes from muscle cells when grown in a depleted-exosome medium. This work was published in “BMC Biotechnology”. In this study, we found that depleting culture media from exosomes affected skeletal muscle cell proliferation. In addition, removal of serum-EVs from culture medium affects gene and miRNA expressions and likely the proteome of the cells. Interestingly, our data showed that we can recapitulate the cross-talk between myoblast and myotubes previously demonstrated in the laboratory by using exosomes from serum as well. Indeed, serum derived-exosomes, like myotube derived-exosomes, can affect proliferation of myoblasts and induce their entrance in the differentiation process. This result implies that bovine exosomes can transfer specific signals to cells from unrelated species (i.e. ; to mice, rats and human) and thus that part of exosome composition is evolutionarily conserved between these lower and higher order mammalian species. Generally speaking, these results suggest that exosomes in body fluids could have an unsuspected function during embryogenesis and in the regulation of cellular adaptations that lead to hypertrophy, hyperplasia and metaplasia

Introduction:Un des problèmes du cancer du Pancréas (CP) est le temps de latence entre la suspicion du CP et la mise en place des traitements. Les méthodes de biopsie liquide pourraient accélérer la mise en évidence d’éléments tumoraux et le diagnostic.Objectif :L’objectif principal de l’étude était de comparer la performance diagnostique de plusieurs techniques de biopsie liquide chez des patients atteint d’un CP résécable d’emblé. L’objectif secondaire était la corrélation avec le taux de récidive post-opératoire.Méthodes:Tout d'abord, nous avons testé 2 méthodes d'enrichissement CTC pour estimer la sensibilité de la détection CTC avec des expériences de cell-spiking de deux lignées de cellules tumorales pancréatiques dans des échantillons de sang de 24 volontaires sains en utilisant la méthode en gradient de densité OncoQuick® et la méthode de sélection négative RosetteSep™. De plus, les mutations KRAS ont été quantifiées dans l'ADN génomique de cellules purifiées par digital droplet PCR (dd-PCR) avec des amorces spécifiques des allèles.Nous avons conçu un essai clinique prospectif (NCT03032913) visant à détecter les cellules tumorales circulantes (CTC), l’ADN tumoral circulant (ADNct) et les onco-exosomes chez les patients atteint de CP et chez les patients d’un groupe témoin. Pour les CTCs : enrichissement et détection de CTCs par la méthode CellSearch©, méthode d’enrichissement de CTCs RosetteSep® et OncoQuick® puis quantification de l’ADN tumoral par dd-PCR. Les exosomes ont été isolés puis caractérisés avec le taux d’expression de Glypican-1. Tous les patients de l’étude ont eu un prélèvement de sang périphérique, les patients du groupe CP ont eu un prélèvement de sang portal peropératoire.Résultats:La sensibilité analytique était de 100 % pour OncoQuick®, quelle que soit la lignée cellulaire, et se situait entre 70 et 100 % pour RosetteSep™. Le taux moyen de récupération des cellules était de 56±23% pour OncoQuick® contre 39±27% pour RosetteSep™ (p<0,001). Les cellules tumorales de la population de cellules sanguines enrichies ont été détectées par dd-PCR après enrichissement par RosetteSep™ et OncoQuick® La détection des allèles K-RAS mutants par ddPCR après enrichissement de RosetteSepTM était 3 à 4 fois plus sensible qu'après OncoQuick®. Ainsi, RosetteSep™ est plus fiable en termes d'efficacité de récupération et de détection des mutants KRAS que OncoQuick®.De février à novembre 2017, 22 patients atteints de CP résécable et 28 patients témoins ont été inclus. Tous les patients ont été détectés positifs par au moins une méthode. Les CTCs ont été détectées chez 9 patients avec la méthode cellsearch (70% dans le sang portal exclusif) et 13 avec la méthode Rosettesep (60%). Les onco-exosomes ont été détecté chez 14 patients sur 22. L’ADNct n’a été détecté que chez deux patients métastatiques. La détection combinée des CTCs et des onco-exosomes était significativement corrélée à la survie sans récidive.Conclusion:Cette étude suggère que la biopsie liquide combinée peut être un outil prometteur à fois diagnostique et pronostique dans le CP à un stade précoce. / Introduction:One of the problems of pancreatic ductal adenocarcinoma (PC) is the latency time between the suspicion of PC and the initiation of treatments, especially neo-adjuvants that require histological evidence. Liquid biopsy methods could be a companion test for diagnosis.Objective :The main objective of the study was to compare the diagnostic performance of several liquid biopsy techniques in patients with resectable pancreatic without neo-adjuvant therapy cancer. The secondary objective was the correlation between the quantification of liquid biopsy parameters and clinic-pathologic features.Methods:First, we tested 2 CTC enrichment methods to estimate the sensitivity of CTC detection with cell spiking experiments of two pancreatic tumour cell lines in blood samples from 24 healthy volunteers using the onco-specific density gradient OncoQuick® and the negative selection enrichment method RosetteSep™. Additionally, KRAS mutations were quantified in genomic DNA of purified cells by digital droplet Q-PCR (dd-PCR) with allele specific primers.We designed a prospective clinical trial (PANC-CTC# NCT03032913) to detect circulating tumour cells (CTC), circulating tumour DNA (ADNct) and onco-exosomes in patients with pancreatic cancer and in patients in a control group using different methods. For CTCs, it was the enrichment and detection of CTCs by the CellSearch© method (reference method), the RosetteSep® and OncoQuick® CTC enrichment method and the quantification of tumor DNA by dd-PCR. Exosomes were isolated and characterized with the expression rate of Glypican-1. All patients in the study had a peripheral blood sample, patients in the PDAC group had a portal blood sample during surgery.Results:Analytical sensitivity was 100% for OncoQuick®, regardless of the cell line, and ranged between 70 and 100% for RosetteSep™. Mean recovery rate of cells was 56±23% for OncoQuick® versus 39±27% for RosetteSep™ (p<0.001). Molecular detection of mutant K-RAS alleles by ddPCR after RosetteSepTM enrichment was 3- to 4-fold more sensitive than after OncoQuick®. Thus, RosetteSep™ is more reliable in terms of recovery efficiency and KRAS mutant detection than OncoQuick®.From February to November 2017, 22 patients with resectable pancreatic cancer and 28 control patients were included. All patients were positive by at least one method. CTCs were detected in 9 patients with the cellsearch method (70% in the exclusive portal blood) and 13 with the Rosettesep method (59%), Onco-exosomes were detected in 14 out of 22(64%) patients in peripheral and/or portal blood. DNAct was detected in only two metastatic patients. The combined detection of CTCs with cellsearch and onco-exosomes was significantly correlated with progression free survival and overall survival when CTC cluster were found.Conclusion: This study suggests that combined liquid biopsy can be a promising tool for both diagnosis and prognosis in early pancreatic cancer.

Les vésicules extracellulaires (EVs) apparaissent depuis une dizaine d'années comme de nouveaux biomarqueurs à fort potentiel pour des applications de biopsie liquide. En effet, les EVs portent la signature de leurs cellules émettrices, par le transport de matériel génétique et protéique cellulaire, qui peut être exploité comme outil de diagnostic précoce. L’une des principales limitations actuelles à l'utilisation clinique des EVs est la difficulté à extraire ces nano-objets à partir de biofluides complexes et à standardiser les protocoles de préparation d'échantillon. En effet, de nouvelles technologies sont requises pour effectuer un isolement efficace, bas coût et rapide de sous-populations d'EVs, sans altérer leur intégrité et à partir de faibles volumes d'échantillon. La technique microfluidique de Déplacement Latéral Déterministe (DLD) apparaît comme une des technologies prometteuses pour atteindre ces performances grâce à une purification passive et sans marquage. Les dispositifs de DLD mettent en oeuvre un réseau de piliers générant un tri en taille des particules, et dont les paramètres géométriques permettent de contrôler précisément le diamètre de séparation. Parmi les nombreuses applications de cette technologie dans le secteur biomédical, aucune ne permet pour le moment de réaliser l'extraction complète d'EVs directement à partir du biofluide d'intérêt, sans étapes de purification intermédiaires par centrifugation par exemple. Dans cette perspective, nos développements technologiques ont pour but d'améliorer la fiablilité, l'efficacité et l'intégration des dispositifs de DLD. A partir d'études numériques et expérimentales, nous proposons ici de nouveaux modèles pour anticiper au mieux le comportement des particules lors de la conception de réseaux de DLD. Par ailleurs, dans une approche orientée système, nous proposons également un packaging fluidique des dispositifs de DLD. Plusieurs étapes de tri étant généralement requises pour la purification d’échantillons biologiques, nos développements portent également sur la façon d’interconnecter ces modules au sein d'une configuration en série. Deux applications biologiques sont adressées et démontrent la versatilité de la technologie de DLD : l'isolement de bactéries E. coli à partir de prélèvements sanguins humains - en vue du diagnostic du sepsis - et l'extraction d'EVs dans des milieux de culture cellulaires - avec en perspective la détection d'EVs spécifiques par biopsie liquide. L'étape de préparation d'échantillon ne peut être dissociée de l'étape de caractérisation. C'est pourquoi, l'isolement des EVs devra dans un second temps être couplé à leur analyse au sein d'un dispositif intégré, portable et autonome, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives vers l'application clinique des recherches actuelles sur les EVs. / Over the past decades, Extracellular Vesicles (EVs) have demonstrated strong potential as new biomarkers for liquid biopsy. Indeed, since EVs are fingerprints of parent cells, they can be exploited as early diagnostic tools. However, owing to their small size and high heterogeneity, EVs are challenging to extract from biofluids. In particular, reproducible and standardized protocols are required to perform fast, efficient, and cost-effective preparation of undamaged EV subpopulations from limited sample volumes. Deterministic Lateral Displacement (DLD) appears to be a promising microfluidic technology for this preparation by means of passive and label-free separation. DLD performs size-based separation of particles around a critical diameter that can be fine-tuned according to design parameters in an array of micropillars. Across the numerous biotechnological applications of DLD, none has yet successfully performed the complete extraction of EVs from unprocessed biofluids. This is the underlying motivation of this thesis, which outlines technological enhancements that make DLD separation more predictable, efficient, and easy-to-integrate. Based on both numerical and experimental developments, predictive models are proposed in order to anticipate particle behavior and to help in the design of efficient DLD devices. In addition to the optimization of single DLD devices, this thesis also addresses the issue of system integration. An innovative approach of serial connection between DLD modules is proposed to address the sequential sorting of particles from a complex biofluid and ensure that there is no loss of function of individual DLD devices when operated alone or in series. Two biological applications illustrate the potential of DLD-based sample preparation systems: the isolation of E. coli bacteria from human blood samples for sepsis diagnostics and the extraction of EVs from cell culture media with the perspective of liquid biopsy applications. And as sample preparation cannot be dissociated from detection or characterization, this thesis moreover highlights the potential integration of DLD in an all-in-one microfluidic device for both sample preparation and analysis of extracted EVs. Such a portable and autonomous device could overcome some of the current limitations with regard to the clinical use of EVs.