Supported bilayar lipid membranes and their applications to neuroengineering

Despite impressive progress in the field of biomimetic membrane models, some of the main limitations concerning their synergy with biological systems arise from: (i) the physical instability of non-supported lipid bilayers, and/or (ii) the geometrical unsuitability of planar supports for such applications. This Thesis presents the use of bilayer lipid membranes assembled on spherical as well as fiber supports as robust and versatile experimental platforms that expand the experimental interface between model membranes and biological systems. The fabrication of spherically supported bilayer membranes (SS-BLMs) is based on tethering lipid bilayers to micron-diameter silica beads which effectively increase their compositional versatility and mechanical stability. The heterogeneous lateral organization of biomembranes (e.g. lipid rafts) is mimicked in SS-BLMs' co-existing lipid domains and investigated using fluorescence microscopy methods. An experimental protocol that interfaces SS-BLMs to live cultured cells, while maintaining the lipid membrane structure under physiological conditions and throughout the various manipulations necessary for their examination, is developed. This approach allows one to address membrane structural and functional roles in a biologically-relevant environment. The interactions between model and native membranes are evaluated by fluorescence correlation of the organization of the cellular cytoskeleton in response to SS-BLMs from various lipid compositions. This investigation is further used as a validation for the applicability of SS-BLMs as stable yet dynamic cell interfaces. By applying the same experimental approach, the SS-BLMs are used as artificial interfaces suitable for inducing and probing functional communication with brain cells (i.e. neurons). SS-BLMs having a specific composition leading to lateral heterogeneity and lipid phase separation are found to induce synapse formation from the neurons they are interfaced to. In this context, SS-BLMs are used as an experimentally accessible platform for investigating how lipid domains or rafts regulate synapse formation at artificial contacts. The SS-BLM approach is further extended to geometries with 2-dimensional curvature (i.e. fibers). Glass fiber-coated bilayer lipid membranes (GF-BLMs) are found to also be suitable as neuronal interfaces as they promote the formation of stable functional synapses. Bilayer lipid membranes formed on silica beads or fibers are thus excellent model membrane systems for use as engineered substrates for promoting functional neuronal networks.En dépit d'impressionnants progrès dans le domaine des modèles membranaires biomimétiques, leur synergie avec des systèmes biologiques est encore limitée en raison de l'instabilité physique des bicouches de lipides non supportées ou de la géométrie inadéquate des supports planaires pour de telles applications. Cette thèse présente l'assemblage de bicouches de lipides sur des supports sphériques ou fibreux et leur utilisation comme plate-forme robuste et polyvalente pour l'étude des interactions entre modèles membranaires et systèmes biologiques. Les bicouches de lipides sur supports sphériques (SS-BLMs) sont fabriquées par attachement d'une bicouche à des billes micrométriques de silice, ce support permettant d'augmenter la polyvalence compositionnelle des lipides de la membrane et la stabilité mécanique globale. L'organisation latérale hétérogène des biomembranes (telle que le phénomène des radeaux lipidiques) est imitée dans les domaines lipidiques coexistants dans les SS-BLMs et étudiée par la microscopie de fluorescence. Un protocole expérimental est développé dans le but de faire interagir les SS-BLMs avec des cellules vivantes en culture, tout en maintenant l'intégrité de la structure membranaire sous des conditions physiologiques et sous les multiples manipulations nécessaires à leur étude. Cette approche permet d'examiner les capacités structurelles et fonctionnelles de la membrane dans un environnement pertinent biologiquement. Les interactions entre les membranes modélisées et celles natives sont étudiées en corrélant avec la fluorescence l'organisation du cytosquelette cellulaire en réponse à son exposition aux SS-BLMs de diverses compositions de lipides. Cette étude est utilisée subséquemment afin de valider la possibilité d'utiliser les SS-BLMs comme une interface cellulaire stable, mais aussi dynamique. En appliquant la même approche expérimentale, la pertinence de l'utilisation des SS-BLMs comme interface artificielle pouvant induire et sonder une communication fonctionnelle avec des cellules du cerveau (i.e. neurones) est explorée. Les SS-BLMs, ayant une composition spécifique démontrant une hétérogénéité latérale et une séparation des phases lipidiques, induisent la formation de synapse à partir des neurones avec lesquels ils interagissent. Dans ce contexte, les SS-BLMs sont utilisées comme une plate-forme simplifiée et adéquate pour investiguer comment les radeaux lipidiques régulent la formation de synapse aux contacts artificiels. L'approche par les SS-BLMs est étendue aux supports ayant une géométrie comprenant une courbure en deux dimensions (i.e. des fibres). Des fibres de verre recouvertes d'une bicouche de lipides (GF-BLMs) ont été déterminées adéquates comme interface neuronale favorisant la formation de synapses stables et fonctionnelles. Cette découverte a un potentiel attrayant pour ce qui est de la conception de détecteurs neuronaux basés sur la fibre optique pouvant capturer le signal sortant des synapses artificielles et le transmettre par la suite à d'autres cellules. En somme, les bicouches de lipides formées sur des billes ou des fibres de silice sont des modèles membranaires attirants qui démontrent un potentiel comme substrat artificiel pour promouvoir des réseaux neuronaux fonctionnels