Thesis by LABELLE Pauline
Adherent cells sonoporation by regulated inertial cavitation
Defended on 20 november 2014
Sonoporation, the use of ultrasound to increase cell membrane permeability and allow the transfer of molecules into cells, is an interesting alternative method of transfection. However, even if it is generally admitted that acoustic cavitation plays an important role in sonoporation, the physical mechanisms acting during sonication are not fully understood. To obtain information on the interaction between bubbles, cells and the flowing medium during sonication, we designed a sonoporation device adapted to real-time microscope visualization and dedicated to adherent cells. The acoustic field in the well is composed by standing waves and provides cavitation bubble equilibrium positions at the bottom of the well, near cells. After biological effects have been confirmed to be linked to inertial cavitation, a regulation device on inertial cavitation has been implemented in order to improve reproducibility of sonoporation. This regulation allows overcoming problems linked to initiation and time stability of cavitation activity without adding ultrasound contrast agents in the medium. The sonoporation device allows the sonoporation of adherent cells, and this, with more reproducible results when using regulation instead of a fixed acoustic intensity. The cavitation control allows also to obtain the same biological effects at 24 and 37°C. Furthermore, cell sonoporation does not apparently induce negative effects on cell growth. The use of a membrane model (fluorescent lipid bilayer) allows the observation of bubbles-membrane interactions, principally in the form of damages as cracks or impacts present at both nodal and anti-nodal positions of the acoustic field. Cell detachment and sonoporation appear also at these particular locations.
Sonoporation de cellules adhérentes par cavitation inertielle régulée
Soutenue le 20 November 2014
La sonoporation, c'est-à-dire l'utilisation d'ultrasons pour augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire et permettre le transfert de molécules dans la cellule, est une méthode de transfection alternative intéressante. Cependant, même s'il est généralement admis que la cavitation acoustique joue un rôle important dans la sonoporation, les mécanismes physiques sous-jacents à ce phénomène ne sont pas totalement compris. Pour obtenir des informations sur les interactions entre les bulles, les cellules et le milieu environnant, nous avons développé un système de sonoporation adapté à la visualisation en temps-réel sous microscope et dédié aux cellules adhérentes. Le champ acoustique dans le puits cellulaire est composé d'ondes stationnaires et possède donc des positions d'équilibres pour les bulles au fond du puits, c'est-à-dire à proximité des cellules. Après avoir confirmé que les effets biologiques sont liés à la cavitation inertielle, un système de régulation de la cavitation inertielle a été implémenté pour augmenter la reproductibilité de la sonoporation. L'utilisation de cette régulation permet de s'affranchir des problèmes d'initiation et de maintien de l'activité de cavitation ainsi que de travailler sans ajout d'agents de contraste ultrasonore. Ce système permet de sonoporer des cellules adhérentes et ceci de manière plus reproductible lors de l'utilisation de la régulation qu'à intensité acoustique fixée. L'utilisation de la régulation permet également de s'affranchir de la température du milieu (à 24 ou 37°C). De plus, la sonoporation des cellules ne semblent pas induire d'effets négatifs sur la reprise de croissance des cellules. L'utilisation de membrane modèle (des bicouches lipidiques fluorescentes) permet l'observation des interactions bulles-membrane, principalement sous la forme de dégâts de type fissures ou impacts présents à la fois sur les ventres et noeuds de pression acoustique. Ces positions particulières sont également le siège du détachement cellulaire et de la sonoporation.
Defended on 20 november 2014
Sonoporation, the use of ultrasound to increase cell membrane permeability and allow the transfer of molecules into cells, is an interesting alternative method of transfection. However, even if it is generally admitted that acoustic cavitation plays an important role in sonoporation, the physical mechanisms acting during sonication are not fully understood. To obtain information on the interaction between bubbles, cells and the flowing medium during sonication, we designed a sonoporation device adapted to real-time microscope visualization and dedicated to adherent cells. The acoustic field in the well is composed by standing waves and provides cavitation bubble equilibrium positions at the bottom of the well, near cells. After biological effects have been confirmed to be linked to inertial cavitation, a regulation device on inertial cavitation has been implemented in order to improve reproducibility of sonoporation. This regulation allows overcoming problems linked to initiation and time stability of cavitation activity without adding ultrasound contrast agents in the medium. The sonoporation device allows the sonoporation of adherent cells, and this, with more reproducible results when using regulation instead of a fixed acoustic intensity. The cavitation control allows also to obtain the same biological effects at 24 and 37°C. Furthermore, cell sonoporation does not apparently induce negative effects on cell growth. The use of a membrane model (fluorescent lipid bilayer) allows the observation of bubbles-membrane interactions, principally in the form of damages as cracks or impacts present at both nodal and anti-nodal positions of the acoustic field. Cell detachment and sonoporation appear also at these particular locations.
Sonoporation de cellules adhérentes par cavitation inertielle régulée
Soutenue le 20 November 2014
La sonoporation, c'est-à-dire l'utilisation d'ultrasons pour augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire et permettre le transfert de molécules dans la cellule, est une méthode de transfection alternative intéressante. Cependant, même s'il est généralement admis que la cavitation acoustique joue un rôle important dans la sonoporation, les mécanismes physiques sous-jacents à ce phénomène ne sont pas totalement compris. Pour obtenir des informations sur les interactions entre les bulles, les cellules et le milieu environnant, nous avons développé un système de sonoporation adapté à la visualisation en temps-réel sous microscope et dédié aux cellules adhérentes. Le champ acoustique dans le puits cellulaire est composé d'ondes stationnaires et possède donc des positions d'équilibres pour les bulles au fond du puits, c'est-à-dire à proximité des cellules. Après avoir confirmé que les effets biologiques sont liés à la cavitation inertielle, un système de régulation de la cavitation inertielle a été implémenté pour augmenter la reproductibilité de la sonoporation. L'utilisation de cette régulation permet de s'affranchir des problèmes d'initiation et de maintien de l'activité de cavitation ainsi que de travailler sans ajout d'agents de contraste ultrasonore. Ce système permet de sonoporer des cellules adhérentes et ceci de manière plus reproductible lors de l'utilisation de la régulation qu'à intensité acoustique fixée. L'utilisation de la régulation permet également de s'affranchir de la température du milieu (à 24 ou 37°C). De plus, la sonoporation des cellules ne semblent pas induire d'effets négatifs sur la reprise de croissance des cellules. L'utilisation de membrane modèle (des bicouches lipidiques fluorescentes) permet l'observation des interactions bulles-membrane, principalement sous la forme de dégâts de type fissures ou impacts présents à la fois sur les ventres et noeuds de pression acoustique. Ces positions particulières sont également le siège du détachement cellulaire et de la sonoporation.
