Le but principal de cette thèse était de décrire le développement d'une plate-forme microfabriquée et son application pour la caractérisation mécanique des cellules mammifères vivantes. La technique emploie les forces de polarisation électriques pour emprisonner et étirer des cellules dans des champs électriques non-uniformes et variables dans le temps. Ce travail a été motivé par la sous-utilisation apparente des champs électriques pour la caractérisation mécanique des cellules;​ les méthodes décrites ici ont permis la caractérisation mécanique de cellules mammifères diverses et précédemment non étudiées.

La caractérisation mécanique de cellules vivantes est habituellement réalisée en sondant des structures locales près de la surface des cellules. Très peu de ces techniques appliquent des contraintes uniaxiales aux cellules entières et la comparaison des données de diverses techniques est donc difficile. Par contre, des champs électriques peuvent être employés pour exercer ces forces uniaxiales sur les cellules suspendues. La plupart des cellules mammifères adoptent une géométrie quasi-sphérique lorsque suspendues dans un milieu (aqueux) liquide;​ ceci simplifie à la fois la manipulation des cellules ainsi que l'interprétation des données mécaniques. Les champs électriques exercent des forces sans contact mécanique significatif entre les cellules et les structures du dispositif et peuvent donc être décrits comme un « rayon tracteur », qui peut déplacer, emprisonner, ou déformer électriquement les objets polarisables telles les cellules biologiques. En plus, les électrodes nécessaires sont facilement incorporées dans les dispositifs microfabriqués, ce qui suggère que les techniques basées sur des champs électriques seront de plus en plus utilisées.

La caractérisation mécanique des cellules par « électro-déformation » (ED) se place dans le contexte plus grand de l‟électro-manipulation de cellules. Afin de mieux comprendre le comportement des cellules dans les champs électriques, nous avons commencé nos études en utilisant la diélectrophorèse (DEP) pour placer des monocytes humains (U937) dans un champ électrique non-uniforme, avant d‟effectuer l'électroporation (EP) permettant la livraison de transgènes. Un ensemble d'électrodes planaires inertes microfabriquées sur un substrat de verre a été utilisé pour la DEP et l‟EP. Les propriétés diélectriques des cellules ont été estimées et la modélisation (par éléments finis) des champs électriques nous à permis de prévoir le positionnement des cellules. Le point à partir du quel les impulsions électriques ont augmenté la perméabilité des membranes cellulaires aux molécules fluorescentes et aux plasmides d'ADN dépend du positionnement antérieur par DEP. Pour un ensemble donné de paramètres d'impulsion, l‟EP était soit irréversible (ayant pour résultat la cytolyse), réversible (menant à la livraison de gènes), ou non discernable, selon la position des cellules. Nos résultats démontrent clairement que l‟EP des cellules dans un champ électrique non-uniforme peut être commandée par DEP.

Les mêmes microélectrodes planaires utilisées pour DEP et EP ont alors été employées pour mesurer les propriétés mécaniques de différents types de cellules mammifères en suspension, en déformant des cellules individuelles dans les champs électriques non-uniformes et variables dans le temps. Les contraintes électriques produits par ces microélectrodes planaires ont été employées pour emprisonner et étirer les cellules, alors que l‟ED des cellules était observée et photo-documentée par microscopie optique. Deux types de cellule distincts ont été comparés après des données convenables à un modèle de contrainte à trois-paramètres (SLS) et à un de deux paramètres (PL). Les cellules de type « Chinese hamster ovary » (CHO) étaient approximativement deux fois plus rigides que les promonocytes humains (U937);​ les CHOs avaient un comportement élastique avec le rétablissement de la forme initiale, alors que les U937 témoignent à la déformation plastique.

Nous avons alors ensuite exécuté des expériences d‟électrodéformation avec deux types de cellules additionnelles (L929 et HEK293) où la microscopie confocal a été employée pour la visualisation et l‟analyse semi-quantitative de la structure du cytosquelette (CSK) des cellules. Nous avons traité les cellules U937 avec de la latrunculin-A (Lat-A) ou de l‟acrylamide (ACR) pour évaluer respectivement leurs effets sur les microfilaments (MF) et les filaments intermédiaires (IF) du CSK. Nous avons démontré que les propriétés viscoélastiques des cellules individuellement déformées sont dépendentes de l'épaisseur de l'actine corticale (AC) et ont été significativement affectées par des traitements de Lat-A. Les cellules U937 et HEK293 possèdent de minces AC et sont plus facilement déformées que les cellules CHO et L929, qui étaient plus rigides et possèdent des couches plus épaisses d‟AC.

Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que les champs électriques produit par des électrodes microfabriquées permettent la caractérisation mécanique de plusieurs types de cellules mammifères, et atteignent donc l'objectif principal de ce travail, du développement des microdispositifs pour la caractérisation mécanique de cellules individuelles.

The purpose of this study has been to describe the development and demonstration of a microfabricated platform for mechanical characterization of individual living mammalian cells in suspension. The technique uses electrical polarization forces to trap and stretch cells in timevarying, non-uniform fringing electric fields. This work was motivated by the apparent underutilization of electrical stresses for the mechanical characterization of live cells, and the methods described here permitted mechanical characterization of diverse (previously uncharacterized) mammalian cell-types.

Mechanical characterization of cells is usually achieved by probing local structures near the cell-surface, and very few techniques apply uniaxial stresses to whole individual cells. Most mammalian cells adopt a relatively simple (spherical) geometry when they are suspended in a liquid (aqueous) medium. This simplifies cell-manipulation and permits relatively straightforward interpretation of mechanical data. Mammalian cells are increasingly being used outside of their natural environments, for example within microfluidic devices, which requires precise cell-manipulation protocols. Present miniaturization trends within experimental biotechnology are producing new tools for the precise manipulation of individual living cells, and electric fields feature prominently within this context. Electric fields exert forces on cells without the requirement of mechanical contact between cells and device structures and can therefore be described as “tractor beams”, which can move, trap, or deform electrically polarisable objects such as biological cells.

Mechanical characterization of cells by electro-deformation (ED) will be described within the larger context of cell electro-manipulations. To better understand the behaviour of cells in electric fields, we used dielectrophoresis (DEP) to position human monocytes (U937) within a non-uniform electric field prior to electro-poration (EP) for gene delivery. DEP positioning and EP pulsing were both accomplished using a common set of inert planar electrodes, microfabricated on a glass substrate. A single-shell model of the cell‟s dielectric properties and finiteelement modeling of the electric field distribution permitted us to predict the major features of experimentally observed cell positioning. The extent to which electric pulses increased the permeability of the cell-membranes to florescent molecules and to pEGFP-Luc DNA plasmids were found to depend on prior positioning. For a given set of pulse parameters, EP was either irreversible (resulting in cytolysis), reversible (leading to gene delivery), or not detectable, depending on where cells were positioned. Our results clearly demonstrate that positiondependent EP of cells in a non-uniform electric field can be controlled by DEP.

The same planar microelectrodes used for DEP and EP were then used to measure mechanical properties of individual mammalian cells in suspension by deforming the cells in time-varying, non-uniform electric fields. Electrical stresses generated by the planar microelectrodes were used to trap and stretch cells, while (ED) was observed using optical microscopy. Two distinct cell-types were compared after fitting strain data with a three-parameter “standard linear solid” (SLS) model of viscoelasticity, and with a two-parameter power-law (PL) method. Chinese hamster ovary (CHO) cells were found to be approximately twice as stiff as U937 human promonocytes, and CHO cells displayed an elastic behaviour with full recovery of initial shape, while U937 strain data bore witness to plastic deformation.

We then extended these measurements to include two additional cell-types (L929 and HEK293);​ confocal immuno-fluorescent microscopy was used for visualization and semiquantitative analysis of the cell-cytoskeleton (CSK) for all cell-types. We treated U937 cells with microfilament (MF)- and intermediate-filament (IF)- disrupting drugs, latrunculin-A (Lat-A), and acrylamide (ACR), respectively, to assess their effects on the CSK and on the mechanical properties of that cell-type. The measured viscoelastic properties of individually deformed cells depended on cortical actin (CA) thickness and were significantly affected by Lat-A treatments. U937 and HEK293 cells had thin CA and were more easily deformed than CHO and L929 cells, which were stiffer and had thicker CA layers.

The results presented in this thesis demonstrate that electrical stresses generated by microfabricated electrodes permit mechanical characterization of distinct mammalian cell-types, and therefore accomplish the main objective of this work.