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Electrical signals are fundamental to key biological events such as brain activity, heartbeat, or vital hormone secretion. Their capture and analysis provide insight into cell or organ physiology and a number of bioelectronic medical devices aim to improve signal acquisition. Organic electrochemical transistors (OECT) have proven their capacity to capture neuronal and cardiac signals with high fidelity and amplification. Vertical PEDOT:PSS-based OECTs (vOECTs) further enhance signal amplification and device density but have not been characterized in biological applications. An electronic board with individually tuneable transistor biases overcomes fabrication induced heterogeneity in device metrics and allows quantitative biological experiments. Careful exploration of vOECT electric parameters defines voltage biases compatible with reliable transistor function in biological experiments and provides useful maximal transconductance values without influencing cellular signal generation or propagation. This permits successful application in monitoring micro-organs of prime importance in diabetes, the endocrine pancreatic islets, which are known for their far smaller signal amplitudes as compared to neurons or heart cells. Moreover, vOECTs capture their single-cell action potentials and multicellular slow potentials reflecting micro-organ organizations as well as their modulation by the physiological stimulator glucose. This opens the possibility to use OECTs in new biomedical fields well beyond their classical applications. Funding Agencies|ANR MULTISPOTFrench National Research Agency (ANR) [ANR-17-CE09-0015]; ANR DIABLOFrench National Research Agency (ANR) [ANR-18-CE17-0005]; French government "Initiative dexcellence" [AMADEUS-0042]; French Ministry of Education

The field of electropermeabilization, or electroporation, is advancing and has found successful biomedical applications such as electrochemotherapy, tissue ablation, gene therapy and transdermal drug delivery. Despite significant progress in the last decades, a better understanding of underlying mechanisms and advancement in technology are needed to improve outcomes. In this thesis, the performance of the conducting polymer PEDOT:PSS as an electrode coating material is explored in the context of electropermeabilization. Microfabricated PEDOT:PSS coated electrodes are investigated, both, to deliver stimulation pulses and to monitor changes in impedance as a consequence of cell electropermeabilization. The results can be summarized in three parts.Firstly, increased PEDOT:PSS coating thickness improves the polymer-electrolyte interaction due to a higher electrode capacitance. Thicker coatings exhibit higher stimulation thresholds before electrode failures such as delamination is observed. This emphasizes the importance of PEDOT:PSS coating thickness as a design parameter for optimized performance and increased stability of stimulation electrodes.Secondly, electrical stimulation with PEDOT:PSS coated electrodes strongly reduces irreversible electrochemical reactions at the electrode interface that otherwise lead to changes in pH and the generation of reactive oxygen species. These findings indicate that charging in PEDOT:PSS is dominated by reversible processes, also at voltage beyond the water window. In addition, coated electrodes induce nearly no electropermeabilization at voltages that greatly exceed the threshold for uncoated electrodes. The absence of Faradaic reactions in combination with marginal electropermeabilization reveals that electrochemical events at the electrode surface play an important role in the cellular response. Moreover, PEDOT:PSS separates the delivery of electric pulses from chemical changes which paves the way for future experiments that could lead to a better understanding of underlying mechanisms.Thirdly, an array of PEDOT:PSS coated sensing electrodes is integrated with a pair of uncoated stimulation electrodes. Reduced impedance of the sensing electrodes due to the PEDOT:PSS coating significantly improves the sensitivity of impedance monitoring during the growth of adherent cells and treatment with electrical pulses. Such microscale electrodes enable accurate assessment of changes in cellular impedance with high spatial resolution which can be used to study electroporation dynamics and monitor treatment progression.; L’électroperméabilisation, ou électroporation, a été utilisée avec succès dans des applications biomédicales telles que l’électrochimiothérapie, l’ablation tissulaire, la thérapie génique et la libération transdermique de médicaments. En dépit des progrès significatifs de ces dernières décennies, une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents ainsi que de nouveaux développements technologiques pourraient améliorer les résultats obtenus. Dans cette thèse, les performances du polymère conducteur PEDOT:PSS, utilisé comme revêtement pour les électrodes, sont étudiées dans le cadre de l’électroperméabilisation. L’utilisation des microélectrodes recouvertes de PEDOT:PSS a été investiguée pour, d’une part, délivrer des impulsions de stimulation, et d’autre part, surveiller les changements d’impédance résultants de l’électroperméabilisation de la cellule. Les résultats obtenus peuvent être classés en trois catégories.Premièrement, l’augmentation de l’épaisseur du revêtement de PEDOT:PSS améliore l’interaction polymère/électrolyte grâce à une capacité d’électrode plus élevée et montre également des seuils de stimulation plus élevés avant la défaillance des électrodes, principalement due à une délamination du film de PEDOT:PSS. Ce résultat montre l’importance d’utiliser un revêtement de PEDOT:PSS pour optimiser les performances et augmenter la stabilité des électrodes de stimulation.Deuxièmement, la stimulation électrique avec les électrodes recouvertes de PEDOT:PSS réduit considérablement les réactions électrochimiques irréversibles à l’interface avec l’électrode qui autrement produisent une modification du pH et des espèces réactives de l’oxygène. En outre, les électrodes recouvertes de PEDOT:PSS ne montrent quasiment pas d’électroperméabilisation pour des tensions qui excèdent largement le seuil pour des électrodes nues. Ces résultats montrent que charger le PEDOT:PSS est dominé par des processus réversibles. De plus, l’absence de réactions faradiques combinée avec une électroperméabilisation marginale indique que les processus électrochimiques à la surface de l’électrode jouent un rôle important dans la réponse cellulaire. Le PEDOT:PSS permet de séparer l’application d’impulsions électriques des changements chimiques, ce qui ouvre la voie à de futures expériences qui pourraient déboucher sur une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents.Troisièmement, pour surveiller l’évolution d’un traitement par électroperméabilisation, une matrice de microélectrodes recouvertes de PEDOT:PSS a été intégrée avec des électrodes de stimulation interdigitées et nues. L’impédance réduite des électrodes recouvertes de PEDOT:PSS améliore grandement la surveillance des changements d’impédance des cellules lors de l’électroperméabilisation. Ces électrodes microscopiques conduisent à des mesures précises de changement d’impédance cellulaire avec une haute résolution spatiale, permettant ainsi une meilleure surveillance de la progression du traitement.

Infrared laser light radiation may be used to depolarize neurons and to stimulate neural activity. The underlying mechanism of such stimulation is believed to happen due to a photothermal interaction. The absorption of the infrared radiation by the targeted biological tissue inducing a local temperature increase which either directly influence membrane properties or act via temperature sensitive ion channels. Action potentials are typically measured electrically in neurons with microelectrodes, but they can also be observed using fluorescence microscopy techniques that use synthetic or genetically encoded calcium indicators. In this work, we studied the impact of infrared laser light on neuronal calcium signals to address the mechanism of these thermal effects. HT22 mouse hippocampal neurons and U87 human glioblastoma cells were used loaded with the fluorescent calcium dye Fluo-4 and with the temperature sensitive fluorophore Rhodamine B to measure calcium signals and temperature changes at the cellular level. Here we present our all-optical strategy for studying the influence of infrared laser light on neural activity, and the scientific approach leading to conclusion of the involvement of Phospholipase C activity during infrared neural stimulation. The ability of infrared exposure to trigger neural activity in mice brain in vivo is also investigated with the use of GCaMP6s transgenic mice.; L’exposition aux radiations laser infrarouge peut être utilisée afin de dépolariser des neurones et stimuler l’activité neuronale. Le mécanisme sous-jacent d’une telle stimulation est supposé résulter d’une interaction photothermique. En effet, l’absorption de la radiation infrarouge par le tissu biologique cible, et l’eau qu’il contient, induit une augmentation de température de manière localisée, qui soit influencerait directement les propriétés membranaires de la cellule soit agirait par le biais de l’activation de canaux ioniques thermo-sensibles. Dans la plupart des cas, l’activité électrique des neurones est mesurée électriquement à l’aide de microélectrodes, mais elle peut également être sondée par le biais de la microscopie de fluorescence faisant intervenir des indicateurs calciques. Dans ce travail, l’impact de l’exposition à la radiation infrarouge sur les signaux calciques de neurones a été étudié dans le but d’éclaircir et de préciser le mécanisme résultant de l’interaction photothermique. Des neurones HT22, issus d’hippocampe de souris, et des cellules U87, issues d’un glioblastome humain, ont été utilisés en tant qu’exemples de cellules électriquement excitables et non excitables respectivement. Afin de mesurer la température et les signaux calciques au niveau cellulaire, les fluorophores Rhodamine B et Fluo-4 ont été employés. Le montage, par conséquent tout optique, pour étudier l’influence de l’exposition infrarouge sur l’activité neurale est donc présenté, ainsi que la démarche scientifique menant à l’identification de l’implication de l’activité de la phospholipase C dans le mécanisme étudié. La possibilité de stimuler l’activité neurale in vivo, dans le cerveau d’une souris, avec une mesure simultanée des signaux calciques, est également démontrée à l’aide de souris transgéniques exprimant le GCaMP6S.

High powered, nanosecond duration pulsed electric fields (nsPEF) have been proposed as a minimal side-effect, electrical cancer therapy that is unlikely to result in tumour resistance. Glioblastoma multiforme (GBM) is an incurable brain cancer showing resistance to current treatments such as surgery, radiotherapy and chemotherapy. This thesis uses live-cell imaging to look in vitro at the effects of nsPEF on a human glioblastoma cell line (U87-MG) in a first step towards assessing its suitability as a novel treatment for GBM. In agreement with previously published results we show that U87-MG cells respond to nsPEF with plasma membrane poration, a rapid increase in intracellular calcium and a gradual loss of mitochondrial membrane potential. We present novel results showing that 100, 10 ns pulses delivered at 44 kV/cm disrupt microtubule growth dynamics in a way that is independent of calcium and swelling, both of which are known to cause microtubule depolymerisation. Super-resolution microscopy allowed us to visualise microtubules bending and breaking following nsPEF application suggesting a more direct effect of the pulse. We look also at the application of genetically encoded calcium indicators (GECIs) to nsPEF calcium studies making a comparison between GECIs and commonly used chemical indicators. Using the GECI GCaMP, we show the advantages of being able to express GECIs in specific subcellular locations by visualising an nsPEF induced calcium wave with a plasma membrane bound form of GCaMP. This event, which is not evident with classic cytosolic chemical indicators due to diffusion, helps confirm the extracellular origin of the post-nsPEF calcium spike. The work in this thesis demonstrates that nsPEF causes several major, and possibly destructive, cellular events when applied to U87-MG cells. The disruption of the microtubule network by nsPEF could potentially be exploited as a locally administered antimitotic, for GBM treatment, with reduced systemic side effects and lower occurrences of resistance.; Les impulsions de champ électrique nanoseconde de forte intensité (nsPEF) ont été proposées pour le traitement du cancer avec des effets secondaires minimes et peu susceptibles de conduire à une résistance de la tumeur au traitement. Le glioblastome multiforme (GBM) est un cancer du cerveau incurable montrant une résistance aux traitements actuels tels que la chirurgie, la radiothérapie et la chimiothérapie. Dans cette thèse, l'imagerie des cellules vivantes est utilisée pour étudier in vitro les effets de nsPEF sur une lignée de cellules de glioblastome humain (U87-MG), et pour évaluer la pertinence de l'utilisation des nsPEF en tant que nouveau traitement pour le GBM. En accord avec les résultats publiés précédemment, nous montrons que les cellules U87-MG répondent aux nsPEF avec une poration de la membrane plasmique, une augmentation rapide du calcium intracellulaire et une perte progressive du potentiel de membrane mitochondriale. De nouveaux résultats montrent que 100 impulsions de 10 ns délivrées à 44 kV/cm perturbent la dynamique de croissance des microtubules indépendamment du calcium et du gonflement, ces derniers étant connus pour provoquer la dépolymérisation des microtubules. La microscopie à super-résolution nous a permis de visualiser les flexions et ruptures de microtubules après l'application nsPEF suggérant un effet plus direct des impulsions. L'étude des nsPEF sur le calcium a également été menée via des indicateurs de calcium génétiquement encodés (GECIs) qui permettent une comparaison entre les GECIs et les indicateurs chimiques couramment utilisés. En utilisant le GECI GCaMP, le potentiel d'expression des GECIs dans des endroits subcellulaires spécifiques a permis de mettre en évidence une onde de calcium induite par l'application des nsPEF, grâce à une forme de GCaMP fixée à la membrane plasmatique. Ce phénomène, qui n'est pas habituel avec des indicateurs chimiques cytosoliques classiques en raison de la diffusion, permet de confirmer l'origine extracellulaire des pics de calcium post nsPEF. Cette thèse démontre que les nsPEF appliqués à des cellules U87-MG induisent plusieurs effets cellulaires majeurs et potentiellement destructeurs. La perturbation du réseau de microtubules par les nsPEF pourrait éventuellement être exploitée comme un antimitotique, administré localement, pour le traitement de GBM, avec des effets secondaires systémiques réduits et une faible résistance au traitement.