Single cell electroporation in a microfluidic channel with embedded microelectrodes

Cancer is one of the world's largest health problems and is responsible for an estimated 9.6 million deaths in 2018. One of the newest and most promising area of cancer research and treatment is cell therapy. It consists in genetically modifying cells and injecting them into a patient. This results in a therapeutic effect. To modify these cells, different intracellular delivery techniques exist. Among all, this thesis is focused on single cell electroporation in a microfluidic device. Electroporation is a technique that uses electric pulses to create transient pores on the cell membrane which promote the delivery of biologically active molecules inside the cell. The formation of pores is a consequence of an increase in the transmembrane potential Vm (i.e., the potential difference between the inside and the outside of the cell) which is one of the many parameters to consider for electroporation to take place. Among these we also find electric pulse strength, duration, and shape, number of pulses, temperature, buffer conductivity and cell properties. By considering such a large space of variables it becomes difficult to optimize the electroporation process based only on laboratory experiments. Moreover, electroporation is a process challenging to observe only experimentally because pores are very small (nm) and their creation and growth very fast (µs). Hence, a mathematical model is needed to supplement experimental knowledge and draw qualitative, universal conclusion about electroporation. Electroporation techniques can be divided in two categories: bulk and single cell. The latter presents some advantages compared to the traditional or bulk electroporation which is nonspecific and requires high voltage, resulting in variable efficiency and low cell viability. Hence, in the last decades single cell electroporation has established itself as a predominant technique. The aim of this thesis is to investigate and optimize with a mathematical model the membrane permeabilization of a single cell inside a microfluidic device. In comparison with the conventional electroporation devices, microfluidic electroporation devices have some advantages such as higher cell viability rate, high transfection efficiency, lower sample contamination, and smaller Joule heating effect. So far, many research groups have studied the effect of electroporation on static single cells immersed in an infinitely large medium. Therefore, the result reached does not reflect the boundary effects of microfluidic devices. In this thesis I simulate the electroporation process of a cell inside a microchannel by using a software based on finite element method (FEM). The model includes a cell suspended between two electrodes inside a microchannel. The electrodes are assumed to be embedded on the microchannel walls. The effects on cell membrane permeabilization of electrical (e.g., strength and duration of electric pulse) and geometrical (e.g., microchannel height, electrode width and position) parameters as well as cell properties (e.g., cell position and size) are investigated. The designed model can find the number of pores on the cell membrane and their optimal size that permits the passage of the molecules of interest. It can improve single cell level electroporation in a microfluidic channel and can be used in other fields (e.g. electroporation of adherent cells). This theoretical study is intended as a first step to understand the membrane permeabilization of a cell inside a microfluidic device when parameters of interest are varied. The aim is to give guidelines on the design of a microfluidic device to optimize the electroporation process. Indeed, using the created model to assess, as a first approximation, to what extent the cell in the microchannel is electroporated can be an useful tool for designing the device and choosing the correct experimental parameters. For a future development, the model should be validated with laboratory experiments.

Il cancro rappresenta uno dei più grandi problemi di salute nel mondo. Le stime del 2018 riportano che questo è responsabile della morte di 9.6 milioni di persone. La ricerca contro il cancro continua ad avanzare e oggi la terapia cellulare rappresenta una delle soluzioni più promettenti per la sua cura. Tale terapia consiste nel modificare geneticamente le cellule per poi iniettarle nel paziente al fine di ottenere effetti terapeutici. Per modificarle esistono diverse tecniche. Fra tutte, questa tesi si focalizza sull'elettroporazione di una cellula singola all'interno di un canale microfluidico. L'elettroporazione è una tecnica che utilizza impulsi elettrici per creare pori transitori sulla membrana cellulare, i quali favoriscono il rilascio di molecole biologicamente attive all'interno della cellula. Ciò significa che una volta eliminato l'impulso elettrico la membrana non si rompe ma ritorna alla sua configurazione originale. La formazione dei pori è una conseguenza dell'aumento del potenziale di transmembrana Vm (i.e., la differenza di potenziale fra interno ed esterno della cellula). Nonostante non esista una tensione di soglia per innescare il processo di elettroporazione, ci sono dei parametri critici da monitorare. Fra questi annoveriamo Vm, la forma, durata e forza dell'impulso elettrico, il numero degli impulsi, la temperatura, la conducibilità della soluzione tampone e le proprietà della cellula. Tenendo in considerazione un così grande spazio di variabili, diventa difficile ottimizzare il processo di elettroporazione solamente attraverso gli esperimenti in laboratorio. Inoltre, è complesso fare delle osservazioni solo sperimentali in quando i pori sono molto piccoli (nm) e la loro formazione e crescita avviene velocemente (µs). È quindi facile intuire la necessità di avere dei modelli matematici per integrare le conoscenze sperimentali e trarre delle conclusioni qualitative e universali. La tecnica di elettroporazione può essere divisa in due categorie: tradizionale o a cellula singola. Quest'ultima presenta dei vantaggi rispetto a quella tradizionale che è non specifica e richiede tensioni molto alte, che risultano in un'efficienza variabile e un'alta mortalità cellulare. Per questo motivo l'elettroporazione a cellula singola si è affermata come tecnica predominante negli ultimi decenni. Lo scopo di questa tesi è studiare e ottimizzare con un modello matematico la permeabilizzazione della membrana di una singola cellula all'interno di un dispositivo microfluidico. Questo presenta dei vantaggi rispetto ai dispositivi tradizionali come, ad esempio, un maggiore tasso di vitalità cellulare, un'efficienza migliore, una più bassa contaminazione dei campioni e un effetto Joule minore. Fino ad ora, diversi gruppi di ricerca hanno studiato l'effetto dell'elettroporazione su singole cellule statiche immerse in un mezzo infinitamente grande. Di conseguenza i risultati raggiunti non riflettono le condizioni al contorno del dispositivo microfluidico. In questa tesi ho simulato il processo di elettroporazione di una cellula all'interno di un microcanale usando un software basato sul metodo ad elementi finiti (FEM). Il modello include una cellula sospesa fra due elettrodi all'interno del canale. Si presume che gli elettrodi siano incorporati sulle pareti del microcanale. Sono stati studiati gli effetti sulla permeabilizzazione della membrana dei parametri elettrici (e.g., forza e durata dell'impulso), geometrici (e.g., altezza del microcanale e larghezza e posizione degli elettrodi) e delle proprietà della cellula (e.g., dimensioni e posizione all'interno del canale). Lo scopo è quello di trovare qual è il numero ottimale di pori e la loro dimensione sulla membrana cellulare. Il lavoro di ricerca teorico svolto è inteso come primo passo per capire la permeabilizzazione della membrana di una cellula all'interno di un dispositivo microfluidico al variare dei parametri di interesse.