Enriching the unculturable microbial majority of the human gastrointestinal tract through microfluidic encapsulation

Wheatley, Sydney (2025). Enriching the unculturable microbial majority of the human gastrointestinal tract through microfluidic encapsulation. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The human gut microbiota is a consortium of microorganisms made up primarily of bacteria, fungi, and archaea. The complex community of bacteria, in particular, is highly investigated due to its link to human health and disease. Unfortunately, studies aimed at understanding this convoluted relationship are missing key information as a large portion of this commensal population has not been cultured in vitro. One of the dominating theories for the lack of cultured strains is due to the inadequacies of imitating native conditions in vitro that are required for bacterial growth. Due to the growing awareness of gut microbiota’s importance for human health, there is an established need for improved culture techniques. Notably, cell encapsulation is a promising approach to improve culture outputs due to the mechanostimulatory effects and spatial isolation of cells. Microfluidic droplet generation is a preferable method of cell encapsulation due to the high control of microbead formation and biomaterial compatibility.

In this thesis, the microfluidic encapsulation of anaerobic gut bacteria is explored to improve in vitro culture. The microfluidic droplet generation was characterized and optimized for compatibility with a synthetic biomaterial, namely four-arm poly(ethylene glycol maleimide)(PEG4MAL). The suitability of PEG4MAL for anaerobic bacteria culture was characterized by assessing mechanical properties, microstructure, and biocompatibility. Lastly, the effect of encapsulation was evaluated by examining cell viability and colony formation.

The application of PEG4MAL microencapsulation for the enrichment of difficult-to-grow anaerobic gut bacteria has led to high-density growth within the microbeads. This work provides the foundation for future studies exploring the possibility of in situ culture, sampling, and delivery within the human gastrointestinal tract.

Titre traduit

Réanimer et enrichir la majorité microbienne non cultivable du tractus gastro-intestinal humain par encapsulation microfluidique

Résumé traduit

Le microbiote intestinal humain est un consortium de microorganismes composé principalement de bactéries, de mycètes et d’archées. La communauté complexe des bactéries, en particulier, fait l’objet de nombreuses recherches en raison de son lien avec la santé et les maladies humaines. Malheureusement, les études visant à comprendre cette relation alambiquée manquent d’informations essentielles, car une grande partie de cette population commensale n’a pas été cultivée in vitro. L’une des principales théories expliquant l’absence de souches cultivées est l’impossibilité d’imiter les conditions naturelles in vitro nécessaires à la croissance des bactéries. En raison de la prise de conscience croissante de l’importance du microbiote intestinal pour la santé humaine, il est nécessaire d’améliorer les techniques de culture. En particulier, l’encapsulation des cellules est une approche prometteuse pour améliorer les rendements de culture en raison des effets mécanostimulants et de l’isolement spatial des cellules. La génération de gouttelettes microfluidiques est une méthode d’encapsulation cellulaire préférable en raison du contrôle élevé de la formation des microbilles et de la compatibilité des biomatériaux.

Dans cette thèse, l’encapsulation microfluidique de bactéries intestinales anaérobies est étudiée pour améliorer la culture in vitro. La génération de gouttelettes microfluidiques a été caractérisée et optimisée pour la compatibilité avec un biomatériau synthétique, à savoir le poly(éthylène glycol maleimide) (PEG4MAL) à quatre bras. L’aptitude du PEG4MAL à la culture de bactéries anaérobies a été caractérisée par l’évaluation des propriétés mécaniques, de la dégradation, de la microstructure et de la biocompatibilité. Enfin, l’effet de l’encapsulation a été évalué en examinant la viabilité cellulaire et la formation de colonies.

L’application de la microencapsulation PEG4MAL pour l’enrichissement des bactéries intestinales anaérobies difficiles à cultiver a conduit à une forte densité de croissance à l’intérieur des microbilles. Ce travail jette les bases d’études futures explorant la possibilité d’une culture, d’un échantillonnage et d’une distribution in situ dans le tractus gastro-intestinal humain.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 65-78).
Mots-clés libres:	microfluidique, microencapsulation, microbiote intestinal humain, bactéries
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ahmadi, Ali
Codirecteur:	Codirecteur Lerouge, Sophie Maurice, Corinne F.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	30 juin 2025 15:48
Dernière modification:	30 juin 2025 15:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3655

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