Multiscale cytometry of 3D cell cultures in microfluidic hydrogel arrays

• Main Author: Tomasi, Raphaël
• Other Authors: Université Paris-Saclay (ComUE)
• Language: en
• Published: 2016
• Subjects: Microfluidique; Cellules mammiferes; Gouttes d'hydrogel; Culture 3D; Criblage haut débit; Microfluidics; Mammalian cells; Hydrogel droplets; 3D culture; High-Throughput screening
• Online Access: http://www.theses.fr/2016SACLX114/document

Les conditions du corps humain ne sont pas reproduites fidèlement par la culture cellulaire traditionnelle en 2D. Dans cette thèse, des cultures cellulaires 3D sont réalisées dans une plateforme microfluidique hautement intégrée. Des cellules mammifères adhérentes sont encapsulées dans des gouttes immobilisées dans un tableau de pièges capillaires à haute densité. Dans chaque goutte, les cellules se réorganisent pour former un unique microtissu 3D et fonctionnel appelé sphéroïde. L'utilisation d'un hydrogel permet d'alonger le temps de culture et de perfuser le tableau avec des solutions aqueuses, par exemple pour de l'immuno-cyto-chimie. Un unique sphéroïde, viable, peut aussi être extrait de cette puce microfluidique. Des données quantitatives sont extraites à haut débit au niveau de la population, du sphéroïde (dizaines de miliers de sphéroïdes) et au niveau cellulaire emph{in situ} (centaines de miliers de cellules) grâce à de l'imagerie de fluorescence et au dévelopement d'un code d'analyse d'image. Une première preuve de concept a été obtenue en démontrant la viabilité, la prolifération et la fonctionalité de sphéroïdes d'hépatocytes et en les corrélant à des paramètres morphologiques. Ensuite, des aggrégats de cellules souches mésenchymales ont été produits et les hétérogénéités spatiales dans l'expression de protéines impliquées dans leurs propriétés thérapeutiques ont été étudiées. Enfin, cette technologie a été encore dévelopée pour permettre d'appliquer des conditions biochimiques différentes dans chaque goutte. La production et la culture de sphéroïdes dans cette plateforme microfluidique peut mener à des dévelopements importants dans beaucoup de domaines tels que l'analyse de la toxicité des médicaments, le criblage de médicaments à haut débit, le traitement personnalisé du cancer, l'ingénierie tissulaire ou la modélisation de maladies. === Conventional 2D cell culture fails to reproduce emph{in vivo} conditions. In this PhD thesis, 3D cell culture is implemented into a highly integrated microfluidic platform. Adherent mammalian cells are encapsulated in droplets immobilized on a high density array of capillary traps called anchors. In each droplet, the cells reorganize into a single functional 3D microtissue called spheroid. The use of an hydrogel allows to extend the culturing time in microdroplets and to perfuse the array with aqueous solutions, for instance for immuno-cyto-chemistry. A single and viable spheroid can also be selectively retrieved from the microfluidic chip. High throughput and quantitative data is extracted at the population, spheroid (tens of thousands of spheroids) and cellular level emph{in situ} (hundreds of thousands of cells) thanks to fluorescent imaging and a custom image analysis software. As a first proof of concept, the viability, proliferation and functionality of hp sh s were demonstrated and correlated with morphological parameters. Drug toxicity experiments were also performed on this liver model. Then, human mesenchymal stem cell aggregates were produced and the spatial heterogeneities of the expression of proteins involved in their therapeutic properties were investigated. Finally, this technology was further developed to enable applying different biochemical conditions in each droplet. The production and culture of spheroids in this microfluidic platform could lead to major advances in many fields such as drug toxicity, high throughput drug screening, personalized cancer treatment, tissue engineering or disease modeling.