Dispositifs microfluidiques pour l’exposition et l’observation de cellules biologiques à des impulsions électriques nanoseconde – NANOPULSEBIOCHIP

Il est souvent admis que les nanotechnologies entrent en ligne de compte lorsque la réduction en taille d’au moins une dimension d’un objet conduit à de nouvelles propriétés de l’objet. Il y a une dimension qui n’a pas été explorée jusqu’à présent: le temps. Nous avons commencé à explorer les effets sur les cellules animales en culture d’impulsions électriques d’une durée de l’ordre d’une ou de quelques nanosecondes. Les impulsions électriques d’une telle durée doivent être extrêmement intenses (plusieurs kilovolts par millimètre) pour perturber les cellules car les effets potentiels de ces impulsions ne sont pas les effets classiques des impulsions électriques plus longues. La membrane externe de la cellule se comporte habituellement comme un élément qui isole électriquement l’intérieur de la cellule de son environnement. Lorsque des impulsions électriques « classiques » (dont la limite inférieure de durée est d’environ une ou plusieurs microsecondes) sont employées, la seule façon d’atteindre électriquement l’intérieur de la cellule nécessite en premier lieu de perturber la structure de cette membrane cellulaire externe. Ce phénomène est connu sous les termes d’électroporation ou d’électroperméabilisation des cellules. Cependant, une fois que ce changement de structure de la membrane est obtenu, la marge de manoeuvre pour manipuler l’intérieur des cellules est limité car l’allongement du traitement conduit à la perte de viabilité des cellules (la membrane externe (« plasmique ») de la cellule est une limite physique des éléments de la cellule et elle est absolument indispensable au maintien de la structure et de l’homéostasie cellulaires). Les nanopulses ouvrent la voie à la manipulation directe d’éléments (molécules, structures intracellulaires) localisés à l’intérieur de la cellule, car la membrane n’ « isole » plus l’intérieur de l’extérieur. Ceci a déjà été prouvé dans les études pionnières de Karl Schoenbach à l’Université Old Dominion, Norfolk VA, USA, et par nos propres observations récentes. Plusieurs défis se dressent devant une telle recherche, qui ne peuvent être abordés que par une équipe pluridisciplinaire. En effet, il faut pouvoir disposer de générateurs de ce type d’impulsions, comme ceux qui sont en développement dans le XLIM du CNRS. Il faut pouvoir disposer d’outils d’imagerie optique capables de visualiser de façon non invasive et instantanément les membranes avant, pendant et après l’application de ces nanopulses, comme le microscope à Diffusion Raman Anti-Stokes Cohérente (DRASC) développé conjointement par le DMPH de l’ONERA et l’UMR 8121 du CNRS.Pour pouvoir exposer les cellules aux nanopulses et simultanément observer les cellules sous le microscope, nous devons développer des microdispositifs appropriés, qui font appel à la fois aux microtechnologies et aux nanotechnologie. En effet pour établir des champs électriques suffisamment intenses, malgré les nouveaux générateurs, il faut réduire les distances entre les électrodes. Dans le cadre du projet soumis l’IFR121 du CNRS se propose de développer deux types de dispositifs: des microcanaux pour cellules en suspension dans lesquels un réseau microfluidique permettra d’amener les cellules entre les électrodes de façon séquentielle, pour les exposer aux nanopulses et les observer les unes après les autres sans avoir à refaire les réglages du microscope, et des microcanaux pour cellules en situation d’adhérence, pour lesquels il faudra préparer des surfaces nanostructurées permettant leur autopositionnement. Cet attachement préférentiel sera obtenu par nanostructuration de la surface du microcanal. Cette nanostructuration de la surface peut par ailleurs affecter la propagation des ondes formant l’image de la cellule. L’analyse et la résolution des problèmes posés donc par les différentes contraintes des approches nanotechnologique, optique, électrique et biologiques sont au coeur du projet soumis. De nombreux résultats biologiques sont attendus