Bioproduction acoustique de vésicules extracellulaires // Acoustic bioproduction of extracellular

Topic description

Pour stimuler la production de VE, l'une des stratégie, développée au laboratoire NABI, consiste à cultiver des cellules stromales mesenchymateuses (d ~ 20 µm) sur des microporteurs (~ µm) soumis à un flux turbulent. Si les dimensions du système sont bien choisies et que la taille du plus petit tourbillon (échelle de Kolmogorov) est équivalente à celle du microporteur, la contrainte de cisaillement (shear stress) appliquée aux cellules devient optimale pour favoriser le relargage de VE.

Cette approche par turbulence présente l'avantage de pouvoir être mise à l'échelle, car d'un point de vue théorique, la taille des tourbillons reste constante indépendamment du volume du bioréacteur, à condition de maintenir une dissipation d'énergie équivalente. Cependant, des hétérogénéités hydrodynamiques subsistent à grande échelle dans le volume, créant des zones «mortes» ou le fluide n'est pas turbulent.

L'objectif de ce travail est d'étudier l'utilisation des ondes acoustiques pour la bioproduction de VE. Selon leurs caractéristiques (fréquence, intensité) les ondes acoustiques présentent l'avantage d'être hautement biocompatibles, de se propager sur de grandes distances et d'induire des effets mécaniques sur les suspensions ou le milieu de propagation.

Nous savons que les cellules sont mécanosensibles aux forces de cisaillement, de compression ou d'étirement (Verkest et Lechner ). Elles sont donc naturellement sensibles aux ondes acoustiques via plusieurs mécanismes physiques différents (Zhang et al. ). L'interaction de l'onde acoustique avec les cellules va générer une force de radiation provoquant des déformations membranaires, et donc des effets de compression (Zamfirov et al. ). Par ailleurs, l'interaction de l'onde avec le fluide induit des courants (_acoustic streaming_) provoquant des contraintes de cisaillement. Enfin, en présence de microbulles, les phénomènes de cavitation peuvent également déclencher cette activation.

L'enjeu de cette thèse consistera à modéliser, mesurer et quantifier les différents effets induits par les ondes acoustiques en fonction de leurs paramètres, tant au niveau des grandeurs physique que des réponses biologiques. Il s'agira ensuite de choisir une approche permettant le contrôle et la stimulation de la production de VE.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

To stimulate EV production, one strategy developed at the NABI laboratory, involves culturing mesenchymal stromal cells (d ~ 20µm) on microcarriers (~ µm) subjected to turbulent flow. If the system dimensions are well chosen and the size of the smallest eddies (Kolmogorov length scale) is comparable to that of the microcarrier, the shear stress applied to the cells becomes optimal for promoting EV release.

This turbulence-based approach has the advantage of being scalable, because theoretically, the eddies size remains constant regardless of the bioreactor volume, provided that equivalent energy dissipation is maintained. However, hydrodynamic heterogeneities persist at large scales within the volume, creating 'dead' zones where the fluid is not turbulent.

The objective of this work is to study the use of acoustic waves for the bioproduction of vital energies (VEs). Depending on their characteristics (frequency, intensity), acoustic waves offer the advantage of being highly biocompatible, propagating over long distances, and inducing mechanical effects on suspensions or the propagation medium.

We know that cells are mechanosensitive to shear, compression, and stretching forces (Verkest and Lechner ). They are therefore naturally sensitive to acoustic waves via several different physical mechanisms (Zhang et al. ). The interaction of the acoustic wave with the cells generates a radiation force causing membrane deformations, and thus compression effects (Zamfirov et al. ). Furthermore, the interaction of the wave with the fluid induces currents (acoustic streaming) that cause shear stresses. Finally, in the presence of microbubbles, cavitation phenomena can also trigger this activation.

The aim of this thesis will be to model, measure, and quantify the various effects induced by acoustic waves as a function of their parameters, both in terms of physical quantities and biological responses. The next step will be to choose an approach that allows for the control and stimulation of VE production.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/
WEB :

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral*