Electropermeabilization in model systems
Électroperméabilisation de systèmes modèles
Abstract
Electropermeabilization is a process based on the application of electric pulses which can induce a transient permeabilization of the cell plasma membrane. If you submit a cell to a sequence of electric pulses with appropriate amplitude and duration, you will manage to introduce in the cytoplasm some molecules otherwise unable to cross the external envelope, and to do so without decreasing cell viability. This technique has led to various applications, notably in the fight against cancer and in the field of gene therapy. Being safer than chemical and viral transfection methods, it has become increasingly popular among the medical community. However, membrane reorganization processes at the microscopic level are not yet fully understood, and are still a matter of debate. A better description of these phenomena would allow to improve the efficiency and the safety of the clinical protocols. In this prospect, a possible strategy consists in the study of electric field effects on model systems. This thesis focuses on the influence of long duration (in the millisecond range) electric pulses on artificial lipid systems, giant unilamellar vesicles. It explains how these studies on model systems contributed to our fundamental knowledge of electropermeabilization, and also how they resulted in two practical applications: a method for loading liposomes with macromolecules, and a method for measuring a characteristic physical property of lipid bilayers, the edge tension. It also contains a part where the entry of different molecules into electropermeabilized cells was studied via the numerical resolution of partial differential equations governing the evolution of the molecule concentration. This part of the thesis brings some clues for understanding the experimentally observed different behaviours between the electrotransfer of small and macromolecules.
L'électroperméabilisation est un procédé fondé sur l'application d'impulsions électriques qui peuvent induire une perméabilisation réversible de la membrane plasmique de cellules vivantes. En d'autres termes: si vous soumettez une cellule à des impulsions électriques d'amplitude et de durée judicieusement choisies, vous serez alors en mesure d'introduire dans son cytoplasme des molécules d'intérêt autrement incapables de traverser son enveloppe externe, et ce sans affecter sa viabilité. Cette technique a donné lieu à diverses applications, notamment dans le cadre de la lutte contre le cancer ou des thérapies géniques. Comportant moins de risques que les méthodes de transfection virales ou chimiques, son usage est de plus en plus répandu dans la communauté médicale. Cependant, les processus de réorganisation de la membrane, au niveau microscopique, sont encore méconnus et sujets à débat. Une meilleure description de ces phénomènes permettrait d'améliorer l'efficacité et la sécurité des protocoles de traitement. Une stratégie possible pour accroître notre compréhension de l'électroperméabilisation consiste en la réalisation d'expériences sur des systèmes modèles. Cette thèse aborde l'étude de l'effet d'impulsions électriques perméabilisantes de longue durée (quelques millisecondes) sur des systèmes lipidiques artificiels, des vésicules unilamellaires géantes. Il est décrit comment ce travail sur systèmes modèles a contribué à améliorer notre compréhension fondamentale de l'électroperméabilisation, mais aussi comment il a donné lieu à deux catégories d'applications: le chargement de vésicules avec des macromolécules et la mesure de grandeurs physiques caractéristiques des bicouches lipidiques, les tensions de bord. Ces recherches comportent aussi un aspect de modélisation de l'entrée dans des cellules électroperméabilisées de différentes molécules, via la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles gouvernant l'évolution de leur concentration. Cette partie apporte des éléments de réponse visant à expliquer les différences observées expérimentalement entre le transfert de petites et de macromolécules.
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