Ce travail consiste à utiliser deux systèmes microfluidiques de gouttes pour incorporer d'une part des acides nucléiques dans des liposomes cationiques et d'autre part étudier la dynamique de transfection dans des cellules mammifères. La première micropuce permet d'insérer de l'ADN dans des liposomes cationiques afin d'obtenir de manière reproductible des lipoplexes appropriés à la transfection de cellules dendritiques (DC). Plusieurs paramètres expérimentaux sont tout d'abord étudiés, tels que les débits d'entrée, l’entretien des propriétés des liposomes après leur traitement dans des micro-gouttes, les caractéristiques des lipoplexes (taille, polydispersité et charge) en fonction du rapport molaire de charge (R+/-) et de la géométrie de la puce. Ensuite, les lipoplexes produits dans des conditions optimisées: une micropuce avec un grand canal en serpentin et une région de division des gouttes qui diminuent la polydispersité des lipoplexes, fonctionnant à un rapport de débit eau/huile 0,25 et R+/- 1,5; 3; 5; 7 et 10; sont utilisés pour transfecter des DCs in vitro. Tous les lipoplexes transfectent les DCs, tout en offrant une activation des DCs. La seconde étape consiste à utiliser une micropuce à l'échelle de la cellule unique afin de contrôler les conditions de transfection et d'optimiser le rendement de production de protéines recombinantes. Ainsi, des cellules ovariennes de hamster Chinois (CHO-S) sont transfectées dans la micropuce avec différents types de lipoplexes (R+/- 1,5; 3; 5) dont la dynamique de transfection est suivie par la production de protéines vertes fluorescentes (GFP) et par la viabilité cellulaire. Cette micropuce a permis d'évaluer l’hétérogénéité des cellules transfectées, révélant la présence d'une sous-population produisant des niveaux particulièrement élevés de GFP. Ces hautes productrices (HP) ont une taille cellulaire plus importante que celle de la population moyenne. La charge des lipoplexes montre un rôle important pour transfecter CHO-S, puisque l’unique lipoplex chargé positif R+/- 5 produit plus de HPs. La quantité d’ADN délivrée influe sur la production de protéine, puisque R+/- 1,5 avec plus d’ADN augmente la productivité spécifique de GFP des HPs. Cette thèse est réalisée dans le cadre d'un programme de co-tutelle entre l'Université de Campinas, au Brésil, et l'École Polytechnique, en France. Ce travail a principalement contribué aux domaines de microfluidique et de délivrance de gènes. / This work aims to use one droplet-based microfluidic systems to incorporate nucleic acids into cationic liposomes and another one to study the mammalian cell transfection process. For this, the first step uses a droplet-based microfluidic system to complex cationic liposomes with pDNA in order to obtain reproducible and suitable lipoplexes to dendritic cells (DCs) transfection. For this purpose, some experimental parameters are investigated, such as inlet flow rates, the maintenance of liposomes’ properties after microfluidic processing, lipoplex characteristics (size, polydispersity and zeta potential) as function of molar charge ratio (R+/-) and microchip design. Then, lipoplexes produced in selected conditions: a microchip with large serpentine channel and split region, which decreases lipoplex polydispersity, operating at ratio aqueous/oil flow rate 0.25 and R+/- 1.5, 3, 5, 7 and 10; are used to transfect DCs in vitro. All lipoplexes transfect DCs while providing cells activation. The second step uses a single-cell microfluidic platform to investigate and control over the transfection conditions, in view of optimizing the recombinant protein production by transfected cells. In this context, Chinese hamster ovary cells (CHO-S) are transfected in microchip with different types of lipoplexes (R+/- 1.5, 3, 5) and monitored by green fluorescent protein (GFP) production and cell viability. The single-cell platform enables to assess the heterogeneities of CHO-S population, revealing the presence of a subpopulation producing significantly high levels of GFP. These high producers (HP) show increased cell size in comparison to the average population. Moreover, the charge of lipoplexes shows an important role to transfect CHO-S, since the unique positive charged lipoplex R+/- 5 produces more HPs. Additionally, the amount of pDNA delivered affects the protein production, since R+/- 1.5 with more pDNA increase GFP specific productivity of HPs. This thesis is a co-supervised program between University of Campinas, Brazil and École Polytechnique, France. In general, this work contributes to microfluidics and gene delivery areas.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les liposomes ayant des lipides cationiques (liposomes cationiques) sont évalués dans plusieurs domaines thérapeutiques pour la libération intracellulaire des oligonucléotides antisenses et des plasmides ayant différents gènes humains. La majorité de ces liposomes sont composés de dioléoylphosphatidyléthanolamine (DOPE) pour assurer la déstabilisation de l'endosome suite à l'endocytose, et d'un lipide cationique pour assurer l'interaction avec les molécules d'ADN négativement chargés. Bien que les liposomes cationiques ont été administrés via les voies orale, pulmonaire et systémique, leur problème de stabilité dans différents milieux biologiques n'était pas complètement résolu. Il était déjà démontré que les liposomes cationiques ayant des ADN plamidiques sont déstabilisés par les protéines anioniques se trouvant dans le plasma. Les liposomes ayant une couche de poly(éthylène glycol) (PEG) à la surface ont largement contribué au développement des liposomes à longue circulation à cause de l'interaction réduite avec les protéines plasmatiques et les membranes cellulaires. Les liposome-PEG sont normalement préparés en faisant dissoudre le lipide-PEG avec les autres lipides et les phospholipides dans la phase organique avant l'hydratation et l'association des lipides en liposomes. Cette méthode conventionnelle d'incorporation de PEG possède plusieurs inconvénients. D'une part, les chaînes polymériques sont incorporées dans l'espace interne aqueux et entre les bicouches lipidiques où l'eau est normalement enfermée. Ceci réduit significativement le volume aqueux interne et nuit à l'incorporation des médicaments dans les liposomes. D'autre part, les molécules d'ADN sont reconnues pour se lier aux lipides cationiques dans les liposomes par des forces électrostatiques en formant des complexes ADN/liposome assez stables. Dans cette étude, nous présentons deux méthodes de modification des liposomes pré-formés, l'une est une réaction chimique ayant lieu dans le milieu aqueux et l'autre est une insertion des dérivés pégylés connus pour être non-toxiques et économiques. Ces nouvelles procédures de postmodification liposonnique s'effectuent dans des conditions douces et dans des temps très courts. L'efficacité de ces nouvelles méthodes a été prouvée par les mesures du changement de diamètre et de la charge apparente à la surface des liposomes. Les liposomes classiques DOPE/DOTAP (1:1) ont un potentiel zéta (Ç) moyen de +33 mV et l'incorporation par la méthode conventionnelle de 1 et 0.5 mol% de PE-PEG2000 (Phosphatidyléthanolamine-PEG2000) et PE-PEG5000réduit complètement la charge des liposomes. Une concentration cinquante fois plus grande de M-SC-PEG (N-hydroxysuccinimidyl carbonate méthoxy-PEG) et BTC-PEG (Benzotriazolyl carbonate PEG) était nécessaire pour réduire la charge des liposomes pré-formés d'une façon significative. La méthode d'insertion membranaire du PEG1760-nnonostéarate s'avère beaucoup plus avantageuse vu le temps très minime qu'elle requiert (1 minute) d'une part, et l'efficacité d'insertion proche de 95% d'autre part, une efficacité jamais préalablement atteinte.