Le cancer du sein est l'une des principales causes de décès chez les femmes dans le monde. Le traitement de référence actuel est l'excision chirurgicale de la tumeur. Malgré l'intervention chirurgicale, le risque de résurgence est élevé. Pour le prévenir, l'excision chirurgicale est suivie d'un traitement chimiothérapeutique pendant plusieurs mois. La chimiothérapie est un traitement systémique qui a de nombreux effets indésirables en raison de sa non-spécificité. Ces dernières années, de nombreux traitements expérimentaux ciblés ont été proposés comme alternative. L'un d'entre eux est la thérapie photothermique utilisant des nanoparticules plasmoniques (NPs). Malheureusement, les chercheurs ne disposent pas d'une plateforme efficace pour tester les traitements expérimentaux visant à réduire le risque de résurgence. Pour résoudre ce problème, nous développons un organe sur puce (OSP) du micro-environnement tumoral après l'excision chirurgicale. L'OSP est une combinaison de microfluidique et d'ingénierie tissulaire qui peut simuler plusieurs organes. Cette technologie permet un débit élevé, une meilleure contrôlabilité et est moins coûteuse que les modèles habituels comme les animaux. Pour mener à bien ce projet, la méthodologie à suivre est divisée en quatre étapes. Premièrement, nous fabriquons une puce microfluidique pour produire des microtumeurs vascularisées. Deuxièmement, la chirurgie sera simulée en effectuant une ablation thermique sur le sphéroïde tumoral à l'intérieur de la puce. Troisièmement, la microscopie dynamique différentielle sera utilisée pour cartographier la concentration et la diffusion des NP dans les différents compartiments de la puce. Le développement ultérieur de cette nouveauté offrira la possibilité de développer des tests personnalisés et sera également adapté à d'autres types de cancer tels que le cancer du cerveau ou du foie. / Breast cancer is one of the most leading causes of death among women worldwide. The current gold standard treatment is a surgical excision of the tumour. Despite the surgery, the risk of a resurgence is high. To prevent this, surgical excision is followed by chemotherapeutic treatment for several months. Chemotherapy is a systemic treatment that has multiple adverse effects due to its non-specificity. In recent years, many targeted experimental treatments have been put forth as an alternative. One of them is photothermic therapy using plasmonic nanoparticles (NPs). Unfortunately, researchers don’t have an efficient platform to test experimental treatment aimed at mitigating the risk of a resurgence. To address this problem, we are developing an organ-on-achip (OOC) of the tumour microenvironment post-surgical excision. OOC is a combination of microfluidic and tissue engineering that can simulate several organs. This technology allows a high throughput, better controllability and is less expensive than usual models like animals. To carry out this project, the methodology to be followed is divided into four stages. First, we are fabricating a microfluidic chip to produce vascularized microtumors. Second, the surgery will be simulated by performing a thermal ablation on the tumour spheroid inside the chip. Third, the differential dynamic microscopy will be used to map the concentration and diffusion of the NPs in the different compartments of the chip. Later development of this novelty will offer the possibility of developing a personalized test and be suitable for other types of cancer such as brain or liver cancer.

Dans cette thèse, deux dispositifs de culture in vitro de cellules ont été développés selon des technologies de microfabrication, qui offrent de nouveaux niveaux de contrôle sur le microenvironnement de la culture cellulaire. Les applications des dispositifs développés dans la recherche sur le cancer et la neurobiologie ont été démontrées, notamment pour l'étude fondamentale de métastases du cancer et le pathfinding axonal de neurones. La puce microfluidique dédiée à la transmigration comprend des microcanaux utilisées pour mimer les capillaires des tissus le long de la trajectoire des cellules cancéreuses lors de la métastase. La transparence optique du dispositif a permis une bonne observation de la déformation et de la migration des cellules dans les capillaires artificiels. Les résultats ont montré que la déformation du noyau de la cellule rigide était une des étapes les fastidieuses du processus de transmigration. Les restrictions physiques modifient la morphologie des cellules, mais elles affectent aussi de manière significative leur profil de migration. D'autres études sur le contenu moléculaire et les propriétés biologiques des cellules transmigrées ont montré que le blocage des modifications des histones par un médicament spécifique peut inhiber la transmigration des cellules cancéreuses dans le microcanal, ce qui pourrait avoir des implications sur la prévention et le traitement du cancer. La puce microfluidique peut également être utilisée pour évaluer la déformabilité de la cellule, qui est un marqueur pronostique potentiel pour le diagnostic du cancer. La puce de la culture de neurones permet la culture de cellules dans un microenvironnement au sein duquel de protéines sont imprimées selon des motifs géométriques précis. Les somas et axones des neurones mis en culture dans le dispositif peuvent être polarisés dans différents environnements fluidiquement isolés sur une longue période. L'extension des axones peut être guidée par des protéines immobilisées sur le substrat de verre. La croissance axonale orientée peut en outre être modulée par un traitement médicamenteux localisé. Les études sur le mécanisme moléculaire sous-jacent ont révélé que ces processus ont été étroitement associés à des protéines synthétisées localement dans les extrémités d'axones en croissance / In this PhD project, two in vitro cell culture devices were developed via microfabrication technologies, which provided entirely new levels of controls over the cell culture microenvironment. The applications of the developed devices in cancer and neurobiology researches were demonstrated, specifically for the fundamental study of cancer metastasis and neural axonal pathfinding. The microfluidic transmigration chip used microchannel structures to mimic the tissue capillaries along the path of cancer cell metastasis. The transparent optical qualities of the device allowed good observation of the deformation and migration of cells in the artificial capillaries. Results showed that deformation of the stiff cell nucleus were the most time-consuming steps during the transmigration process. The physical restrictions not only changed the morphology of the cells, but also significantly affect their migration profile. Further studies on the molecular contents and biological properties of the transmigrated cells showed that blocking the histone modifications by specific drug can inhibit the transmigration of cancer cells in the microchannel, which might have implications on cancer prevention and treatment. The microfluidic chip can also be used to evaluate cell deformability, which is a potential prognostic marker for cancer diagnosis. The neural culture chip integrated microfluidic cell culture and protein patterning techniques. The somas and axons of neurons cultured in the device can be polarized into different fluidically isolated environments for long period, and the extension of the axons can be guided by proteins immobilized on the glass substrate into specific patterns. The oriented axon growth can be further modulated by localized drug treatment. Studies on the underlying molecular mechanism revealed that these processes were closely associated with the proteins synthesized locally in the tips of growing axons

Le but de cette étude est de concevoir, fabriquer et caractériser une puce microfluidique afin de mettre en oeuve la capture de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées en vue de la reconnaissance d’anticorps spécifiques (couplage d’une très grande spécificité et sensibilité). Après avoir modélisé et simulé les performances de la microbobine intégrée dans le canal de la puce microfluidique en prenant soin de limiter la température du fluide à 37°C, la capture devant être effective, le microsystème est fabriqué en salle blanche en utilisant des procédés de fabrication collective. La fabrication du microdispositif en PDMS a aussi donné lieu à l’optimisation de procédés de modification de surface afin d’assurer la ré-utilisation du microdispositif (packaging réversible) et la limitation de l’adsorption non spécifique. L’immobilisation des anticorps su les billes (300 nm) a été menée à l’intérieur du canal en utilisant un protocole de type ELISA éprouvé. Le procédé a montré qu’il était également efficient pour cet environnement puisque nous avons pu mettre ne évidence la capture de nanoparticules / In this study, a concept of microfluidic chip with embedded planar coils is designed and fabricated for the aim of trapping effectively functionalized magnetic nanobeads and immobilizing antibody (IgG type). The planar coils as a heart of microfluidic chip is designed with criterion parameters which are optimized from simulation parameters of the maximum magnetic field, low power consumption and high power efficiency by FE method. The characterization of microcoils such as effectively nanobeads (300 nm) at low temperature (<37oC) is performed and confirmed. The channel network in PDMS material is designed for matching with entire process (including mixing and trapping beads) in microfluidic chip. A process of PDMS’s surface modification is also carried out in the assemble step of chip in order to limit the non-specific adsorption of many bio substances on PDMS surface. The microfluidic chip assemble is performed by using some developed techniques of reversible packaging PDMS microfluidic chip (such as stamping technique, using non-adhesive layer, oxygen plasma combining with solvent treatment). These packaging methods are important to reused microchip (specially the bottom substrate) in many times. The immobilization of antibody IgG-type is performed inside microfluidic chip following the standard protocol of bead-based ELISA in micro test tube. The result showed that IgG antibodies are well grafted on the surface of carboxyl-beads (comparing to result of standard protocol); these grafted antibodies are confirmed by coupling them with labeled second antibody (Fab-FITC conjugation).

The research work focuses on optimizing various parameters for controlling cells using negative dielectrophoresis and entrapping them in droplet microfluidics. This is achieved by developing a conductivity medium, combining CytoRecovery, BSA, and EDTA, to maintain a steady count of single cells with good viability over an extended period. The study involves the optimization of frequency and voltage applied to the electrodes to achieve the desired dielectrophoretic forces for long-term cell manipulation. The optimization is based on simulations performed using myDEP and COMSOL software. Additionally, the stability of the conductivity medium is tested during prolonged electric field applications. Considering the significance of working with cells, ensuring the temperature inside the channels remains within physiological limits is vital. Both COMSOL simulations and physical experiments using Rhodamine B dye are conducted to achieve this objective. Moreover, a well-designed process flow is proposed for performing cellular entrapment in droplets. Finally, a novel microfluidic cleaning protocol has been developed to efficiently eliminate both non-biological and biological contaminants from the microfluidic chamber. This innovative protocol has the potential to enable the reuse of any microfluidic chip that does not possess a functionalized surface. / Forskningsarbetet fokuserar på att optimera olika parametrar för att kontrollera celler med hjälp av negativ dielektrofores och fånga in dem i droppmikrofluidik. Detta uppnås genom att utveckla ett konduktivitetsmedium, som kombinerar CytoRecovery, BSA och EDTA, för att upprätthålla ett jämnt antal enstaka celler med god livsduglighet under en längre period. Studien involverar optimering av frekvens och spänning som appliceras på elektroderna för att uppnå de önskade dielektroforetiska krafterna för långvarig cellmanipulation. Optimeringen är baserad på simuleringar utförda med mjukvaran myDEP och COMSOL. Dessutom testas konduktivitetsmediets stabilitet under långvariga elektriska fälttillämpningar. Med tanke på betydelsen av att arbeta med celler är det viktigt att se till att temperaturen inuti kanalerna håller sig inom fysiologiska gränser. Både COMSOL-simuleringar och fysiska experiment med Rhodamine B-färgämne genomförs för att uppnå detta mål. Dessutom föreslås ett väldesignat processflöde för att utföra cellulär infångning i droppar. Slutligen har ett nytt mikrofluidrengöringsprotokoll utvecklats för att effektivt eliminera både icke-biologiska och biologiska föroreningar från mikrofluidkammaren. Detta innovativa protokoll har potential att möjliggöra återanvändning av alla mikrofluidiska chip som inte har en funktionaliserad yta.