Développement d'un système de microfluidique de gouttes pour l'analyse d'échantillons complexes

Droplet microfluidics is a technology with a huge potential for miniaturization and automation of conventional methods in bioanalysis. Indeed, droplet microfluidics has many functionalities, such as merging, sorting and cell encapsulation, that can reproduce manipulations in standard protocols in bioanalysis on very small volumes with advantages such as a low samples and reagents consumption and reduction of analysis duration. During this thesis, we developed protocols for two types of biological analysis, using magnetic particles manipulation in 100 nL droplets.The first project is about single cell multiomics analysis. We implemented a droplet microfluidics protocol for the separation of mRNA and DNA from complex samples: from a mix of pre-purified RNA and DNA to a suspension of less than ten cells. At each steps, the droplet system performances were evaluated and the results were compared to extractions made in tubes in a non-microfluidics way. The results are very promising since they demonstrate for the first time in such a system the sequential separation of DNA and RNA from cell lysate or a few cells encapsulated and lysed in droplets.The second project is about the sample preparation in droplet for MALDI-TOF mass spectrometry analysis. This project was built in collaboration researchers from CEA Saclay. They have shown that it is very interesting to deposit samples in droplets on MALDI plates to increase the detection sensitivity thanks to a focusing effect. We have implemented on an original integrated droplet microfluidic approach for protein analysis by MALDI-TOF MS: from in drop sample preparation by supported enzymatic digestion to on plate deposition and peptides local pre-concentration. Development was done with lysozyme as a model protein and thanks to our in-drop digestion and deposition protocol we identified this protein by mass fingerprint from 200 fmol protein with a good reliability.La microfluidique de gouttes est une technologie qui possède un très grand potentiel pour la miniaturisation et l’automatisation des méthodes bioanalytiques conventionnelles. En effet, les nombreuses fonctionnalités présentes en microfluidique de gouttes, telles que la fusion, le tri et l’encapsulation de cellules, permettent de reproduire des protocoles bioanalytiques standards sur de très petits volumes avec des avantages tels que la diminution de la consommation d’échantillon et de réactifs et la diminution du temps d’analyse. Au cours de cette thèse, nous avons développé les protocoles pour deux types d’analyse biologique utilisant la manipulation de particules magnétiques en gouttes de 100 nL.Le premier projet a porté sur l’analyse multiomique de cellules uniques. Nous avons conçu un protocole en microfluidique de gouttes permettant la séparation de l’ARNm et l’ADN d’un échantillon complexe : du mélange d’ADN et d’ARN pré-purifiés à une suspension de moins d’une dizaine de cellules entières. A chaque étape, les performances du système en gouttes ont été évaluées et les résultats comparés avec les extractions effectuées en tubes de manière non-microfluidique. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils démontrent pour la première fois dans un tel dispositif la séparation séquentielle de l’ADN et de l’ARNm à partir de lysat cellulaire ou de quelques cellules entières encapsulées et lysées en gouttes.Le second projet concerne la préparation d’échantillon en gouttes pour l’analyse par spectrométrie de masse MALDI-TOF. Ce projet a été mené en collaboration avec des chercheurs du CEA Saclay qui ont montré qu’il y a un intérêt important à déposer les échantillons sur des plaques MALDI sous forme de gouttes pour augmenter la sensibilité de détection grâce à un effet de concentration. Nous avons mis en place un système automatisable qui permet de coupler la microfluidique de gouttes à la spectrométrie de masse MALDI-TOF : de la digestion enzymatique supportée en goutte au dépôt sur plaque avec pré-concentration de l’échantillon cristallisé. Le développement a été fait avec le lysozyme comme protéine modèle et notre protocole permet d’identifier la protéine par empreinte de masses peptidiques à partir de 200 fmol de protéine avec une bonne fiabilité