Soutenance de thèse de NABILA GACI

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
HYDRODYNAMIQUE,BIOMECANIQUE,Vésicules,TRANSFECTION,ONDE DE CHOC,
Keywords
HYDRODYNAMIC,BIOMECHANIC,Vesicles,TRANSFECTION,SHOCK WAVE,
Titre de thèse
Interaction d'une onde de choc avec des cellules biologiques: étude des mécanismes de permeabilisation des membranes cellulaires.
Human Cells Transfection induced by Shock Wave Interaction: Study of the Mechanisms of cell membrane permeation.
Date
Lundi 4 Octobre 2021 à 15:00
Adresse
Laboratoire IUSTI, Technopôle de Château-Gombert, 5 rue Enrico Fermi, 13453 Marseille cedex 13, FRANCE.
Amphi ME
Jury
Directeur de these M. Pierre PERRIER Aix Marseille Université - IUSTI
Rapporteur M. Martin BROUILLETTE Université de Sherbrooke - Département de Génie Mécanique
Rapporteur M. Aldo FREZZOTTI Politecnico Milano 1863 -Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali
Examinateur Mme Elisa BUDYN ENS Paris/Saclay (Cachan)
Examinateur Mme Anne-Patricia ALLONCLE CNRS - LP3
Examinateur M. Julien DESCHAMPS Université d'Aix Marseille - IRPHE
Examinateur M. Laurent BERTHE CNRS - PIMM
Examinateur M. Jerome GIORDANO Aix Marseille Université - IUSTI

Résumé de la thèse

Les ondes de choc permettent la perméabilisation des membranes cellulaires et l’introduction de matériel génique dans les cellules. Elles sont donc un outil prometteur pour les applications médicales et la thérapie génique. Pour autant, les mécanismes conduisant à l’ouverture de pores membranaires lors de l’interaction onde de choc/cellule restent encore mal compris. Ce travail de thèse constitue une étude exploratoire des mécanismes impliqués dans la perméabilisation de la membrane cellulaire par onde de choc. La thèse repose sur l’hypothèse suivante: l’interaction d’une onde de choc avec l’interface (membrane lipidique) séparant le milieu interne de la cellule et le milieu environnant génère une instabilité de Richtmyer-Meshkov entraînant la destabilisation de la bi-couche lipidique. Le développement de cette instabilité entraîne un dépôt de vorticité sur la membrane qui génère un champ de contraintes de cisaillement. Dans cette thèse, en se basant sur l’hypothèse que nous venons d’émettre, nous développons un modèle analytique simplifié afin d’évaluer la contrainte de cisaillement. Pour valider notre modèle, nous avons développé des approches expérimentales pour caractériser et quantifier les effets des ondes de choc sur les membranes. Cette démarche comprend la conception et la caractérisation de dispositifs expérimentaux permettant la génération d’ondes de choc au moyen de différentes sources: lasers et un tube à choc. Les expériences sont réalisées en sur des vésicules unilamellaires géantes. Il s’agit de capsules sphériques de la taille de quelques micromètres dont la membrane imite celle des cellules biologiques. Contrairement aux cellules biologiques, les vésicules nous permettent de contrôler la variation de densité entre le milieu interne et externe à celles-ci. Nous présentons donc une description générale de la notion de vésicule unilamellaire géante et la méthode de leur préparation. Nous discutons également de la procédure permettant de déterminer la distribution de la taille des populations de vésicules. La partie suivante de cette étude est consacrée à la caractérisation de la transmission du choc, produit par un tube à choc, dans un liquide. Ensuite, l’interaction d’ondes de choc avec des vésicules en suspension dans des solutions de densités différentes est abordée. La mesure des effets des ondes sur les vésicules est réalisée au travers de l’évaluation de la destruction de vésicules et du changement de leur population. Les résultats montrent que les dommages causés à la membrane semblent survenir au-delà d’une valeur seuil du terme de barocline. Au-dessus de ce seuil mécanique, la rupture des vésicules tend à dépendre linéairement du produit de la variation de la densité et du gradient de pression conformément à notre modèle. Par ailleurs, les résultats montrent que des effets de cavitation apparaissent dans le cas de chocs intenses et renforcent la rupture des vésicules. La partie suivante de ce travail reproduit la même approche mais en utilisant des ondes de choc générées par un laser (claquage optique). Les résultats obtenus montrent ici que le nombre de vésicules diminue jusqu’à 30% lorsque la pression maximale de choc atteint 10 MPa. Contrairement aux résultats obtenus avec le tube à choc, on observe une variation des propriétés de taille de la population des vésicules. Ainsi, nous mesurons une diminution du rayon moyen des vésicules après choc de 15%. La dernière partie de la thèse est consacrée à l’étude des effets de choc générés par focalisation d’un laser pulsé sur une cible métallique. Cette procédure nous a permis d’éviter les effets de cavitation pouvant être présent dans les deux premiers dispositifs et d’atteindre des sauts de pression plus important (> 1 GPa). Les résultats préliminaires ont montré que les vésicules se cassent pour des pressions de choc élevées, indiquant que les dommages causés à la membrane cellulaire dépendent de la pression de l’onde de choc.

Thesis resume

Shock waves induce cell membranes permeation allowing the uptake of genetic material into the cell, thus resulting in a promising tool for medical applications and gene therapy. However, the mechanisms underlying cell membrane pore formation during shock wave/cell interaction have not been reported so far. The present work is an exploratory study of the mechanisms responsible of cell membrane permeation by shock waves. The central idea of the study relies on the following hypothesis: The interaction of a shock wave with the interface (lipid membrane) separating cell internal volume and the surrounding media generates a Ritchmeyer Meshkov-like instability leading to the destabilization of the membrane lipid bilayer. It causes a baroclinic generation of vorticity on the interface and generates shear stress. This results from the misalignment of the pressure gradient caused by the shock and the density gradient at the interface. We propose a simplified hydrodynamic model to evaluate the shear stress induced by the previously mentioned instability on the cell membrane. To validate our model, we developed methods to characterize and quantify the effect of the shock wave on biomembranes. This approach includes the design and the characterization of experimental devices that allowed the generation of shock waves through different sources: lasers and a shock tube. Shock wave experiments were carried out using giant unilamellar vesicles. They are micron-sized spherical lipid vesicles that mimic the cell membrane. Unlike biological cells, vesicles allow us to control the density variation between their inner and outer environment, which is a key parameter of our model. A general description of the giant unilamellar vesicle and the methodology of vesicles preparation are presented. The procedure to determine the size distribution of GUVs populations is also discussed. The first part of this study was dedicated to the characterization of shock transmission into liquid through a gas-water interface using a combination of experimental data and numerical simulations. Then, the rupture of vesicles suspended in solutions with different densities is addressed. Results revealed that the damage of the membrane occurs above a threshold value set by the barocline term. Above this mechanical threshold, vesicles breakage was found to be linearly dependent on the product of the density variation and the pressure gradient as described in our model. Interestingly, the results showed that cavitation effects occur in the case of strong shock and enhance the rupture of vesicles. The second part of the present work change the framework and we dealt with shock waves generated by a laser (optical breakdown). These experiments showed that the number of vesicles reduces up to 30% at 10 MPa. The reduction of the number of vesicles is inversely proportional to the pressure peak of the shock. The average vesicles radius decreased up to 15% in contrast to the results obtained with the shock tube. Furthermore, the existence of a critical radius was pointed out: the frequency size distribution shifts to the left after shock and the peak of the distribution increases below a critical radius due to the breakage of large vesicles. The last part of the work is dedicated to the study of shock waves generated by focusing a pulsed laser on a metallic target. This procedure allowed us to inhibit cavitation effects exhibited in the two previous shock generators and to obtain high shock pressures (> 1 GPa). Primary results showed that vesicles break under strong pressure gradients. The reduction in vesicle number increases with increasing shock peak pressure demonstrating the pressure-dependent effect of shock waves on the damage caused to the cell membrane.