Dielectric characterization of biological cells using high frequency dielectrophoresis

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse concernent le développement d’une méthode de caractérisation électrique de cellules biologiques, sans marquage, basée sur la diélectrophorèse Ultra Haute Fréquence (DEP-UHF). Sous l’action d’un champ électrique alternatif non uniforme, les cellules biologiques sont soumises à des forces de déplacement essentiellement liées à leurs propriétés diélectriques. En particulier, aux hautes fréquences, le champ électrique pénètre à l’intérieur de la cellule et interagit donc avec son contenu intracellulaire. Il est donc possible d’accéder à une «signature diélectrophorétique» de la cellule représentative de ses propriétés biologiques internes mais aussi de mécanismes physiologiques tels que l’apoptose ou encore la différenciation. Ce manuscrit présente le développement d’un microsystème innovant, implémenté à partir des couches passives d’une puce BiCMOS et couplé à un réseau microfluidique, pour la caractérisation, à l’échelle cellulaire, par DEP-UHF. Le microsystème développé permet une analyse fine et précise du comportement DEP haute fréquence d’une cellule. Un banc expérimental dédié aux caractérisations cellulaires, capable de générer des signaux hautes fréquences dans la gamme 10 MHz – 1 GHz pour des amplitudes allant jusqu’à 18 Vpp, a été développé. Ces travaux exploratoires ont pour but de démontrer le potentiel de discrimination de cette méthode entre différentes lignées cellulaires cancéreuses humaines à des stades tumoraux différents, dans l’objectif de développer de nouveaux outils d’aide au diagnostic. L’existence de différences significatives entre les signatures de certains types cellulaires ouvre des perspectives très intéressantes notamment pour le développement d’outils de tri cellulaire originaux basés uniquement sur les propriétés diélectriques intracellulaires.The work presented in this dissertation concerns the development of an original label-free electrical characterization method dedicated to biological cells based on Ultra High Frequency dielectrophoresis (DEP-UHF). Under the action of a non-uniform alternative electric field, the biological cells are subjected to displacement forces related to their own dielectric properties. In particular, at high frequencies, the electric field penetrates inside the cell and thus interacts with its intracellular content. Therefore, it is possible to access to a «dielectrophoretic signature» of the cell that it is representative of its internal biological properties but also of physiological mechanisms such as apoptosis or differentiation. This dissertation presents the development of an innovative microsystem, implemented in the passive layer stack of a BiCMOS chip and associated with microfluidic, dedicated to biological characterization, at the cellular level. The developed microsystem allows an accurate analysis of a single cell DEP-UHF behaviour. An experimental bench, dedicated to cell characterization, and able to generate high frequency signals from 10 MHz to 1 GHz up to 18 Vpp magnitude, has been also developed accordingly. Actually, the led exploratory work achieved was focused on evaluating the discrimination potential of this method between different human cancer cells at different tumor stages with the objective to envision new kind of diagnostic tools. Finally, the existence of significant differences between the signatures of different cell types leads to very interesting perspectives, particularly for the development of new cell sorting tools based especially on the intracellular dielectric properties