Optofluidic analyzer for cellular capsules
Analyseur optofluidique pour capsules cellulaires
Résumé
This work consists in the design and use of a micro-device dedicated to the analysis of multicellular aggregates based on the measure of light attenuation. The celllular capsule technology, which was patented by the host team, can generate several thousand spheroids/organoids in a few seconds. Our objective is to characterize these submillimetric samples encapsulated in a transparent shell by measuring their radius and extinction coefficient without resorting to an inherently slow and low throughput imaging technique. To exploit the high throughput capabilities of the technique, we propose to develop a fluorescence-free optofluidic analyzer inspired from classical cytometers. We first simulated the interaction of a Gaussian laser beam with a sphere of known radius and extinction coefficient and developed the optical detection module. Experimental measurements were compared with simulations to validate our approach. Then, we designed a microfluidic device aimed at conveying the heavy cellular capsules through the beam using a 3D printing approach. Finally, our optical system was combined with the fluidic module and modified to determine the displacement speed of each conveyed capsule as it interacts with the laser beam. We provide a proof of concept that the high throughput of such an instrument allows the analysis of a very large number of samples (several thousands) in a short time (a few hours). The instrument was then used to determine the growth curves of two tumor lymphocyte cell lines ("liquid" tumors), as well as the modifications in the extinction coefficients when cancer cells are fixed and when adipose stem cells undergo differentiation into adipocytes that store lipid droplets. The sensitivity of our instrument is compatible with a further use in pre-clinical trials on tumour cell aggregates to estimate the efficacy of chemotherapy treatments for instance. Finally, an "open source" dimension was integrated into the design of the electronic and software parts of the project to promote copying and improvement, e.g through the addition of a sorting module.
Ce travail de thèse consiste en la conception et l’utilisation d’un système d’analyse d’agrégats multicellulaires par mesure de l’atténuation de la lumière. La technologie des capsules cellulaires brevetée au sein de l’équipe d’accueil peut générer plusieurs milliers de sphéroïdes/organoïdes en quelques secondes. L’objectif est ici de caractériser ces échantillons submillimétriques encapsulés dans une coque transparente par une mesure de leur rayon et de leur coefficient d’atténuation, sans recourir à une technique d’imagerie intrinsèquement lente et bas débit. Pour exploiter le fait que la technique de production est à haut débit, nous proposons de développer un analyseur optofluidique inspiré dans son principe de fonctionnement des cytomètres classiques, mais sans marquage fluorescent des échantillons. Nous avons tout d’abord simulé l’interaction d’un faisceau laser gaussien avec une sphère de rayon et coefficient d’atténuation connus, puis développé le module optique de détection. Les mesures expérimentales ont été confrontées aux simulations pour valider notre approche. Ensuite, nous avons conçu un circuit microfluidique capable de convoyer les capsules cellulaires pesantes au travers du faisceau en utilisant une approche par impression 3D. Enfin, notre système optique a été combiné au module fluidique et modifié pour déterminer la vitesse de déplacement de chaque capsule convoyée au moment de son interaction avec le faisceau d’interrogation. Nous apportons la preuve de concept que le caractère haut-débit d’un tel instrument permet d’analyser un très grand nombre d’échantillons (plusieurs milliers) en peu de temps (quelques heures). L’instrument présenté a été utilisé pour déterminer les courbes de croissance de deux lignées cellulaires de lymphocytes tumoraux (tumeurs « liquides »), ainsi que des modifications de coefficient d’atténuation liées à la fixation sur cellules hépatiques tumorales ou à la stimulation chimique de cellules souches adipeuses qui génèrent des chapelets de gouttelettes lipidiques au cours de leur différenciation. La sensibilité de notre instrument laisse envisager son utilisation dans le cadre d’essais précliniques sur des agrégats de cellules tumorales, afin de déterminer la croissance de ces « micro-tumeurs » et donc estimer l’efficacité de traitements de chimiothérapie par exemple. Enfin, un aspect « open source » a été souhaité dans la conception de l’infrastructure électronique et informatique du prototype, ouvrant ce travail à la copie et l’amélioration, notamment par l’ajout d’un module de tri d’échantillons.
Origine : Version validée par le jury (STAR)