Microfluidic quadrupoles and their applications in cell chemotaxis studies

Microfluidic systems open up new possibilities for in vitro cell biology research, mainly due to their ability to control the cellular microenvironment at physiologically relevant spatiotemporal scales. As such, several microfluidic systems have been introduced for the generation of concentration gradients and have been used for cell chemotaxis studies. However, these methods typically involve a trade-off between temporal control of the gradient and minimizing the applied shear stresses on the cells, and often require culturing cells in micro-channels. In this dissertation, we develop microfluidic quadrupoles (MQs) and demonstrate their first use in a laboratory setting. Two MQs with different configurations are presented; a lateral MQ that is associated with a stagnation point at its center, and a linear MQ with a stagnation zone bounded by two hydrodynamically confined streams. We also introduce "floating" concentration gradients of biochemicals that can be produced using MQs by injecting a solute through one of the poles. Floating gradients are controllable, associated with minimal shear stresses, can be applied to any flat substrate in a channel-less microfluidic system, and can be rapidly adjusted and moved. We used the lateral MQ to apply floating gradients of Interleukin-8 to cultured human neutrophils in a culture dish, and developed novel chemotaxis assays with stationary and moving gradients. Furthermore, we observed the real-time dynamics of neutrophils during adhesion, polarization, and migration, and showed that neutrophils migrate longer distances when following moving gradients in comparison to stationary gradients.The work presented in this dissertation introduces a new area of research in the field of fluidic multipoles and floating gradients, as well as their applications in the biomedical sciences. Furthermore, this work sets the foundation for developing novel biological and cell chemotaxis assays using moving concentration gradients. These assays can then be combined with pharmacological studies and help to further understand the mechanisms of cellular polarization, migration, and desensitization.Les systèmes microfluidiques ouvrent de nouvelles possibilités pour la recherche in vitro en biologie cellulaire, notamment par leur capacité à contrôler le microenvironnement cellulaire à des échelles spatiotemporelles physiologiquement pertinentes. En ce sens, plusieurs systèmes microfluidiques ont été introduits pour la génération de gradients de concentration et ont été utilisés pour des études sur la chimiotaxie cellulaire. Cependant, ces méthodes font face à un compromis entre le contrôle temporel du gradient et la minimisation de la contrainte de cisaillement appliqué sur les cellules. De plus, elles requièrent souvent de mettre les cellules en culture dans des microcanaux. Dans cette dissertation, nous démontrons la première utilisation des quadripôles microfluidiques (QM) dans un contexte expérimental. Nous présentons deux QM avec des configurations différentes : un QM latéral associé à un point de stagnation en son centre, et un QM linéaire avec une zone de stagnation reliée par deux flux hydrodynamiquement confinés. Nous présentons aussi des gradients de concentration « flottants » de produits biochimiques réalisés à l'aide de QM en injectant un soluté à travers un des pôles. Les gradients mobiles sont réglables, associés à une contrainte de cisaillement minimale, peuvent être appliqués à n'importe quel substrat plat dans un système microfluidique sans canal, et peuvent être rapidement ajustés et déplacés. Nous avons utilisé le QM latéral pour appliquer des gradients de concentration mobiles de l'Interleukin-8 à des neutrophiles humains dans une plaque de culture, et avons développé de nouveaux tests pour mesurer la chimiotaxie avec des gradients fixes et mobiles. De plus, nous avons observé la dynamique des neutrophiles en temps réel durant l'adhésion, la polarisation, et la migration, et avons démontré que les neutrophiles migrent sur de plus longues distances lorsqu'ils suivent des gradients mobiles plutôt que des gradients fixes.Les travaux présentés dans cette dissertation ouvrent un nouveau champ de recherche dans le domaine des multipôles fluidiques et des gradients mobiles, ainsi que leur application dans les sciences biomédicales. De plus, ces travaux sont une base pour le développement de nouveaux tests biologiques et mesurant la chiomiotaxie utilisant des gradients de concentration mobiles. Ces tests peuvent ensuite être combinés à des études pharmacologiques pour aider à mieux comprendre les mécanismes de polarisation, migration, et désensibilisation cellulaire