Thèse soutenue le 20 décembre 2013 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique pour les Sciences du Vivant

Résumé :
Ces dernières années, l’intérêt pour les nanoparticules dans le domaine biomédical n’a cessé de grandir. On peut citer l’exemple des nanoparticules lipidiques en tant que vecteurs pour la délivrance de thérapies ciblées, ou celui des vésicules extracellulaires, nanoparticules biologiques secrétées par les cellules du corps humain. Ces dernières sont impliquées dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques, faisant d’elles de potentiels biomarqueurs de diagnostic précoce par biopsie liquide. Les enjeux de caractérisation de ce type de particules sont majeurs, que ce soit en termes de contrôle de qualité en vue d’une utilisation clinique, ou simplement afin de connaître leurs propriétés biophysiques (taille, masse volumique, rigidité, etc.). Cependant, en raison de leur taille nanométrique et de leur hétérogénéité potentielle, peu de méthodes de référence sont adaptées pour caractériser à elles seules ce type de populations. La technologie MEMS SMR (Suspended Microchannel Resonator), utilisant des résonateurs à canal microfluidique suspendu, a déjà prouvé sa capacité à caractériser très précisément des microparticules, à l’échelle de la cellule unique. Son principe repose sur la mesure en boucle fermée de la fréquence de résonance d’une poutre micromécanique creuse, intégrant un canal microfluidique. Cette configuration permet de confiner le fluide à l’intérieur du résonateur, lui-même suspendu dans une cavité sous vide, et donc de préserver ses propriétés mécaniques et son faible amortissement dans son environnement. Lorsque qu’une particule circule à travers le canal microfluidique, elle induit un décalage de la fréquence de résonance, directement dépendant de sa masse. Fabriqués à l’aide de techniques dérivées de la microélectronique, les dimensions micrométriques des SMRs leur permettent d’atteindre une grande précision et de peser individuellement des cellules ou des bactéries, avec une résolution de 1 fg (10^-15g).
L’objectif de cette thèse est d’explorer une version miniaturisée de ce principe, appelée SNR (Suspended Nanochannel Resonator), et de l’implémenter afin de caractériser des nanoparticules lipidiques. Grâce à leurs dimensions réduites, il devient possible de peser des nanoparticules à l’échelle de l’attogramme (10^-18g), telles que des nanoparticules d’or d’une dizaine de nanomètres. Dans un premier temps, un banc d’instrumentation a été mis en place afin de mener des caractérisations de nanoparticules d’or à l’aide des capteurs SNR. Cette méthode a ensuite été mise à l’épreuve de la caractérisation de nanoparticules d’origine biologique, pour lesquelles il est nécessaire de mener une passivation de surface efficace et robuste pour éviter l’adsorption non spécifique de l’échantillon à la surface des canaux. D’autre part, une nouvelle architecture microfluidique a été explorée, afin de mesurer la densité de nanoparticules à l’aide de deux résonateurs en série. Enfin, l’instrumentation a été adaptée afin d’intégrer et de caractériser de nouvelles puces SNR miniaturisées ultrasensibles, dans le but de baisser la limite de détection de cette technologie. A terme, les différentes briques développées au cours de la thèse pourraient permettre de faire émerger une plateforme de caractérisation multiparamétrique (masse, taille, densité, rigidité), ultrasensible et sans marquage, mettant en œuvre cette unique technologie, afin de mener un contrôle de qualité pour des applications de bio-production, d’assurer des fonctions de diagnostic ou de pronostic, ou encore de lever des verrous sur la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques des vésicules extracellulaires.

Jury :
Rapporteur : Bernard Legrand
Rapporteur : Bruno Le Pioufle
Examinatrice : Guénaëlle Le Bras-Jasmin
Examinatrice : Céline Elie-Caille
Examinateur : Franz Bruckert
Directeur de thèse : Vincent Agache
Co-directeur de thèse : Nadia Cherradi

Mots clés :
NEMS, Microfluidique, Vésicules Extracellulaires