Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire de microsystèmes 2 LMIS2)

Biosystem for the culture and electrical characterisation of epithelial cell tissues

Hediger, Serge ; Gijs, Martin (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2551.

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    Summary
    The aim of this work was to develop a microchamber system for performing electrophysiological measurements on epithelial surface on culture membranes in the mm2 range. This miniaturised system permits the use of small quantities of epithelial cells, which in relatively short time grow into a tight layer that can be used in electrophysiological (ion transport) experiments. Availability of cells is an issue, for example when the cells originate from human biopsies or from (expensive!) transgenic mice. Apart from having reduced culture surfaces (for use with scarce biological tissues), there are tremendous advantages in having a cell culture mini-chamber. Our systems are with integrated electrical electrodes, micro-fluidic channels and feed-throughs, making them extremely compact and easy to use, thereby avoiding cell perturbation by manipulations. The structures facilitate control of the cell layer growth, the measurement of the cell layer resistance and the transport and diffusion of biological or pharmacological molecules through the cell layer. Moreover we have chosen cheap and easy-to-tool materials for the realisation of disposable devices. We have also fabricated modular devices, in which the cell culture membranes can be reversibly placed within or removed from the system, thereby offering flexibility and economic interest. These microsystems (for biological applications ("biosystems")) are realised using photolithography, various etching procedures (among which powder-blasting), thin film deposition, electrochemical deposition, polydimethylsiloxane (PDMS) moulding and gluing technologies. Both electrical and fluidic characterisation of the biosystems has been performed. Also, a specific study of microelectrode properties of different electrode materials, such as Pt, Ag and Ag/AgCl has been done using various electrochemical experiments and models. The devices are finally tested in real biological experiments. These experiments were carried on with the collaboration of three different biological academic work groups: the group of Prof. W. Hunziker from the Institute of Biochemistry at the University of Lausanne, the group of Prof. Van der Goot from the Department of Biochemistry at the University of Geneva and Prof. J.D. Horisberger from the Institute of Pharmacology and Toxicology at the University of Lausanne. The functionality of our devices has been tested and their potential for the study of transport and diffusion of biological or pharmacological molecules through the cell layer via accurate measurement of (bio-) chemically induced resistance variations, has been demonstrated.
    Résumé
    Le but de ce travail était de développer un système de micro-chambres permettant d’effectuer des mesures électro-physiologiques sur des cultures de cellules épithéliales cultivées sur des membranes de culture de l’ordre du mm2. Ce type de système permet l’utilisation d’une faible quantité de cellules épithéliales, lesquelles croissent en une durée relativement réduite, en formant une mono-couche serrée qui peut être utilisée dans des expériences électro-physiologiques (transport d’ions). La disponibilité des cellules devient un problème, par exemple quand les cellules proviennent d’une biopsie humaine ou de souris transgéniques (qui coûtent chères). Indépendamment du fait d’avoir des surfaces de culture réduites (pour l’utilisation de tissus épithéliaux disponibles en quantité réduite), il y a des avantages considérables à avoir une mini-chambre de culture cellulaire. Nos systèmes sont pourvus d’électrodes intégrées, de canaux et de connexions microfluidiques, les rendant extrêmement compacts et d’utilisation aisée afin d’empêcher les perturbations de fonctions cellulaires causées par les manipulations. Les structures facilitent le contrôle de la croissance de la couche cellulaire, la mesure de la résistance de la couche cellulaire, ainsi que le transport et la diffusion de molécules biologiques ou pharmacologiques à travers la couche cellulaire. De plus, des matériaux bon marchés et faciles à mettre en oeuvre ont été choisis pour la réalisation d’un système jetable. Nous avons également fabriqué un système modulaire permettant le remplacement des membranes de culture cellulaire, offrant ainsi de la flexibilité et un intérêt économique évident. Ces microsystèmes (pour applications biologiques ("biosystèmes") ont été réalisés par le biais de la photolithographie, de procédés de gravure variés (parmi lesquels le sablage), la déposition de couches minces, la déposition électrochimique, le moulage de polydimethylsiloxane (PDMS) ainsi que par des techniques de collage. Les caractérisations électriques et fluidiques ont été réalisées. De plus, une étude spécifique a été effectuée sur les propriétés de différents matériaux pour les micro-électrodes comme le Pt, l’Ag, et l’Ag/AgCl, par le moyen d’expériences et d’élaboration de modèles électrochimiques. Les biosystèmes sont finalement testés dans des expériences biologiques. Ces expériences ont été effectuées avec la collaboration de trois groupes académiques de recherches biologiques: le groupe du Prof. W. Hunziker de l’Institut de Biochimie de l’Université de Lausanne, le groupe du Prof. Van der Goot du Département de Biochimie de l’Université de Genève ainsi que le groupe du Prof. J.D. Horisberger de l’Institut de Pharmacologie et de Toxicologie de l’Université de Lausanne. La fonctionnalité de nos dispositifs a été testée et leur potentiel a été démontré en ce qui concerne l’étude du transport et de la diffusion de molécules biologiques ou pharmacologiques à travers la couche cellulaire par la mesure fidèle de variations de résistances (bio-) chimiquement induites.