Electropermeabilization of inner and outer cell membranes with microsecond pulsed electric fields : effective new tool to control mesenchymal stem cells spontaneous Ca2+ oscillations

• Main Author: Hanna, Hanna
• Other Authors: Université Paris-Saclay (ComUE)
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Champ électrique pulsé microseconde; Électroperméabilisation; Membrane plasmique; Réticulum endoplasmique.; Pics calciques; Cellules souches mésenchymateuses; Microsecond pulsed electric field; Electropermeabilization; Plasma membrane; Endoplasmic reticulum; Mesenchymal stem cells; Calcium spikes
• Online Access: http://www.theses.fr/2016SACLS493/document

Les champs électriques pulsés sont largement utilisés dans la recherche, la médecine, l'industrie alimentaire et d'autres procédés biotechnologiques. L'interaction d'une impulsion de 100 µs avec la membrane plasmique et la membrane du réticulum endoplasmique a été évaluée dans deux types cellulaires différents. La perméabilisation des organites cellulaires avec ce type d'impulsions est démontrée expérimentalement pour la première fois. L'utilisation d'une telle impulsion afin de contrôler les oscillations calciques spontanées dans les cellules souches mésenchymateuses humaines issues du tissu adipeux a été évaluée. En créant des pics calciques électro-induits d’amplitudes différentes, l'impulsion peut ou bien induire un pic calcique supplémentaire ou bien inhiber les oscillations spontanées pour quelques dizaines de minutes. Cette inhibition rend possible d’imposer à la cellule des pics d’amplitude et de fréquence désirés. Un essai d’application de l'impulsion 100 µs à des cellules souches subissant une différenciation osseuse a aussi été réalisé. Une impulsion électrique semble retarder la différenciation. Lors d'une différenciation osseuse, plusieurs couches cellulaires ont été observées. La caractérisation de ces couches a donné des résultats qui pourraient aider à obtenir des ostéoblastes matures dans un temps moindre que la normale. L'utilisation des champs électriques pulsés microsecondes, pour perméabiliser la membrane plasmique et les membranes internes des cellules, ainsi que pour moduler les concentrations du calcium intracellulaire, semble donc très intéressante pour étudier le rôle du calcium dans de nombreux processus physiologiques et pour manipuler les dynamiques calciques (oscillations, vagues, pics) dans différents types de cellules. Ainsi, cette technologie simple, facile à appliquer et disponible dans beaucoup de laboratoires serait envisageable pour la modulation et le contrôle de fonctions cellulaires basiques telles que la prolifération, la différenciation et l'apoptose. === Pulsed electric fields are widely used in research, medicine, food industry and other biotechnological processes. The interaction of one 100 µs pulse with the plasma membrane and the endoplasmic reticulum membrane was evaluated in two different cell types. Pulse amplitude ranged between 100 and 3 000 V/cm. Organelles membrane permeabilization using this kind of pulses was experimentally demonstrated for the first time. The use of such a pulse to control the spontaneous calcium oscillations in human-adipose mesenchymal stem cells was also assessed. By creating electro-induced calcium spikes of different amplitudes, the pulse can either add a supplementary spike, or, on the contrary, inhibit the spontaneous oscillations for some tens of minutes. During this inhibition period, the electric pulse-mediated addition of calcium spikes of desired amplitude and frequency is still possible. The delivery of 100 µs pulses to stem cells undergoing osteodifferentiation was also performed. The electric pulse seemed to delay the differentiation. Moreover, during osteogenic differentiation, cells cultures displayed an organization in a few cell layers. The characterization of these layers gave results that may help to obtain mature osteoblast in less time than usual one. The use of the microsecond electric pulses technology to permeabilize the plasma and the internal cell membranes as well as to modulate internal calcium concentrations is therefore interesting to study the role of calcium in many physiological processes and to manipulate the cell calcium dynamics (oscillations, waves, spikes) in different cell types. Doing so, this available, simple and easy to apply technology could be used for the modulation and the control of basic cellular functions such as proliferation, differentiation and apoptosis.