Nouveaux outils pour la microanalyse cellulaire en flux à partir de champs électromagnétiques hautes fréquences

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Nouveaux outils pour la microanalyse cellulaire en flux à partir de champs électromagnétiques hautes fréquences
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : non connu à ce jour
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Physique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
Limoges, France
Laboratoire d’accueil : XLIM/MINACOM

Présentation de l’équipe de recherche
La thèse se déroulera au sein du département MINACOM dans l’équipe de recherche Micro et Nano structures pour les Télécoms (MINT). Les domaines d’expertise de MINACOM concernent le développement ou l’utilisation de méthodes avancées de conception et la mise au point de nouvelles technologies et moyens de caractérisation pour élaborer des composants et circuits originaux et innovants. En particulier, l’équipe MINT développe de nouvelles technologies permettant la micro et nano fabrication de composants comme les MEMS et l’intégration de matériaux innovants pour des applications dans le domaine des microondes, de l’optique et de la biologie.
Ces activités s’appuient sur l’ensemble des moyens technologiques de fabrication et de caractérisation de micro et nano composants et de dispositifs de l’électronique organique de la plateforme PLATINOM du laboratoire XLIM.

Résumé de la thèse en français
Ces dernières années, des avancées importantes ont été rendues possibles grâce notamment au développement des micro&nanos technologies qui apporte de nouvelles possibilités et perspectives au domaine biomédical. En particulier ces nouvelles technologies permettent la miniaturisation des systèmes d’analyse de façon à travailler à l’échelle de la cellule voir de la molécule unique. En parallèle, le développement des techniques microfluidiques qui permettent de manipuler des fluides à des échelles micrométriques a permis le développement de véritables laboratoires sur puce qui permettent aujourd’hui de réaliser des analyses complexes à l’échelle cellulaire.
Parmi les techniques d’analyse couramment utilisées dans ce type de dispositifs, on retrouve les méthodes diélectrophorétiques basées sur des interactions champs électromagnétiques/cellules. Les cellules sont des éléments polarisables qui vont donc réagir sous l’action d’un champ électromagnétique. Parmi les méthodes les plus connues on trouve la diélectrophorèse (DEP) et l’électrorotation (ER). Un point intéressant est qu’en fonction des fréquences de travail, les éléments de la cellule qui interviennent sont différents. Ainsi, les fréquences classiques de DEP et d’ER (10kHz à 1MHz) exploitent essentiellement des effets de polarisation au niveau de la membrane cellulaire. L’objectif principal de la thèse sera de développer des outils permettant de transposer ces techniques diélectrophorétiques aux hautes fréquences. L’intérêt est d’explorer cette fois ci les propriétés intracellulaire (noyau et organites du cytoplasme). En effet, aux hautes fréquences la membrane cellulaire est totalement transparente, et l’onde électromagnétique interagie directement avec l’intérieur de la cellule permettant d’accéder à «une signature cellulaire» représentative de la nature et composition de son cytoplasme mais aussi de son état pathologique.

Résumé de la thèse en anglais
These last years, the development of micro&nano technologies opens new capabilities and perspectives especially in the biomedical area. These technologies allow the miniaturization of analysis sytems that able to work at the single cell even the single molecule level. In parallel, with the development of microfluidic technologies, which allow manipulating fluids at the microscopic scale, lab-on-chips have been developed allowing nowadays achieving complex analysis at the cellular scale. Among the analysis technics commonly used in these kinds of microsystems, dielectrophoresis methods based on electromagnetic field and cells interactions are well known. They are based on the polarisation properties of cells which can be move under an applied electromagnetic field. Most common technics are called dielectrophoresis (DEP) and electrorotation (ER). An interesting point is that depending on the working frequency, the cell elements to consider are different. Hence, typical frequencies (i.e. 10kHz à 1MHz) used in DEP and ER methods mainly exploit polarization effects of the cell plasma membrane. The main objective of the proposed thesis will be to develop tools to transpose these dielectrophoretic technics to high frequencies. The interest is to exploit this time intracellular properties (nucleus and organelles). Hence, at high frequencies the cell membrane is transparent and the electromagnetic wave can interact directly with the interior of cells allowing to access to “a cell signature” representative for the nature and the composition of its cytoplasm but also for its pathological state.

Description complète du sujet de thèse
Ces dernières années, des avancées importantes ont été rendues possibles grâce notamment au développement des micro&nanos technologies qui apporte de nouvelles possibilités et perspectives au domaine biomédical. En particulier ces nouvelles technologies permettent la miniaturisation des systèmes d’analyse de façon à travailler à l’échelle de la cellule voir de la molécule unique. En parallèle, le développement des techniques microfluidiques qui permettent de manipuler des fluides à des échelles micrométriques ont permis le développement de véritables laboratoires sur puce qui permettent aujourd’hui de réaliser des analyses complexes à l’échelle cellulaire.
Parmi les techniques d’analyse couramment utilisées dans ce type de dispositifs, on retrouve les méthodes diélectrophorétiques basées sur des interactions champs électromagnétiques/cellules. Les cellules sont des éléments polarisables qui vont donc réagir sous l’action d’un champ électromagnétique. Parmi les méthodes les plus connues on trouve la diélectrophorèse (DEP) et l’électrorotation (ER). Un point intéressant est qu’en fonction des fréquences de travail, les éléments de la cellule qui interviennent sont différents. Ainsi, les fréquences classiques de DEP et d’ER (10kHz à 1MHz) exploitent essentiellement des effets de polarisation au niveau de la membrane cellulaire. L’objectif principal de la thèse sera de développer des outils permettant de transposer ces techniques diélectrophorétiques aux hautes fréquences. L’intérêt est d’explorer cette fois ci les propriétés intracellulaires (noyau et organites du cytoplasme). En effet, aux hautes fréquences la membrane cellulaire est totalement transparente, et l’onde électromagnétique interagie directement avec l’intérieur de la cellule permettant d’accéder à «une signature cellulaire» représentative de la nature et composition de son cytoplasme mais aussi de son état pathologique.
Au cours de la thèse proposée, une plateforme micro-fluidique instrumentée d’analyse sera développée afin de sonder le cytoplasme cellulaire et d’informer en temps réel sur ses caractéristiques diélectriques intrinsèques tout en maintenant la cellule dans son état originel. Cette plateforme pourra également permettre de suivre l’évolution au cours du temps de ces caractéristiques lorsque la cellule entrera ou sera amenée à entrer dans un processus de modification de son contenu cellulaire. De par leurs spécificités, ces «signatures» pourront être ensuite utilisées pour réaliser un tri et un isolement diélectrophorétique sélectif des cellules ciblées. Cette thèse se conduira dans le cadre d’une collaboration avec un laboratoire de l’ENS Cachan avec une potentielle valorisation industrielle avec une entreprise régionale.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs principaux de la thèse seront de:

– développer des outils permettant de transposer les techniques diélectrophorétiques aux hautes fréquences de façon à explorer les propriétés intracellulaires (noyau et organites du cytoplasme) et d’accéder à «une signature cellulaire» représentative de la nature et composition du cytoplasme mais aussi de l’état pathologique de la cellule analysée.

– développer une plateforme micro-fluidique instrumentée d’analyse afin de sonder le cytoplasme cellulaire et d’informer en temps réel sur ses caractéristiques diélectriques intrinsèques tout en maintenant la cellule dans son état originel.

– de suivre l’évolution au cours du temps de cette “signature cellulaire” lorsque la cellule entrera ou sera amenée à entrer dans un processus de modification de son contenu cellulaire.

– d’utiliser ces “signatures” pour réaliser un tri et un isolement diélectrophorétique sélectif des cellules ciblées.

Compétences à l’issue de la thèse
Cette thèse principalement orientée autour de la conception hyperfréquence et de l’expérimentation RF et Microondes bénéficie d’une connotation fortement pluridisciplinaire. Cette thèse permettra d’acquérir des compétences dans un large spectre d’activités de recherche dans le domaine du diagnostic biomédical avec plusieurs facettes: design RF, micro-fabrication, expérimentation RF et microfluidique. De nombreux échanges avec d’autres chercheurs de domaines variés comme la biologie ou la chimie renforceront se caractère fortement pluridisciplinaire.

Mots clés (séparés par des virgules)
Biopuce à cellule; Microfluidique; Champs électromagnétiques; Hyperférquences
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : NON

Expérience/profil souhaité(e)
Conception et optimisation de dispositifs passifs microondes
Mesures hyperfréquences
Une experience en microfabrication est recommandée

Modalité de dépôt des candidatures
CV et lettre de motivation à envoyer au directeur de thèse

Directeur de thèse
Arnaud POTHIER
Adresse mail du directeur de thèse : pothier@xlim.fr
Téléphone Directeur de thèse : 05 87 50 67 35

Co-directeur de thèse
Claire DALMAY

Adresse mail du co-directeur de thèse : claire.dalmay@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 45 75 42
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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