L'identification d'un petit nombre de cellules pathogènes parmi plusieurs millions de cellules est délicate. Les chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant développé une technologie capable d'identifier d'énormes quantités de propriétés cellulaires à petite échelle, individuellement et en détail.

Tous les processus de la vie chez l'homme, les animaux et les plantes dépendent de l'activité cellulaire. Le corps humain contient à lui seul plus de 210 types de cellules avec des propriétés et des fonctions spécifiques qui influencent le développement et la santé. Une compréhension détaillée de ces cellules et de leurs propriétés est cruciale pour la biologie et la médecine. Cependant, filtrer les informations cellulaires recherchées est parfois un immense défi, en particulier si, sur un million de cellules, moins d'une douzaine ont la propriété de déclencher une maladie.

Une méthode établie en chimie, la biologie et la médecine pour déterminer rapidement les propriétés d'un grand nombre de cellules individuelles est la cytométrie en flux. Cette technologie de mesure cellulaire peut être utilisée, par exemple, pour identifier les cellules cancéreuses ou les lymphocytes T, ces globules blancs importants pour le système de défense immunitaire.

La technologie a été inventée en 1968, avec des cytomètres en flux conventionnels mesurant normalement la lumière diffusée et la fluorescence lorsque les cellules traversent un faisceau laser. Les signaux résultants varient en fonction de la taille, forme, structure et couleur des cellules; par exemple, Les cellules T sont très lisses et diffusent moins de lumière que les autres cellules.

Une bonne combinaison

Le groupe de recherche dirigé par Andrew deMello, Professeur ETH de génie biochimique, a maintenant réussi à développer de manière significative la cytométrie en flux. Sa plateforme de cytométrie par imagerie mesure plus rapidement les cellules et leurs propriétés, en plus grandes quantités et beaucoup plus précisément que les cytomètres en flux d'aujourd'hui. Les chercheurs de l'ETH Zurich ont maintenant présenté le fonctionnement de leur méthode dans la revue scientifique Chimie .

Les chercheurs n'ont pas réinventé l'approche, mais plutôt habilement combinés des technologies existantes :leur cytomètre en flux combine les capacités de la microfluidique, qui étudie le comportement des fluides à travers des micro-canaux, avec des méthodes de détection optique très sensibles et une imagerie ultra-rapide.

Cela leur permet d'atteindre un débit ultra-élevé supérieur à 50, 000 cellules par seconde. Les cytomètres en flux standard à base de fluorescence mesurent de manière fiable entre 100 et 20, 000 cellules par seconde, et cytomètres en flux d'imagerie jusqu'à 4 uniquement, 000 cellules par seconde. En pratique, cependant, c'est normalement le cas que beaucoup moins de cellules sont mesurées car elles s'agglutinent généralement.

« Nous développons des technologies pour aider les chimistes, des biologistes et des médecins spécialistes mènent de nouvelles recherches, " dit deMello. Il s'attend à ce que la plate-forme soit un jour aussi plus simple et beaucoup moins chère que les instruments d'aujourd'hui.

En principe, leur cytomètre en flux se compose de trois parties :au départ, les cellules sont alignées étroitement dans un seul fichier. Un flux microfluidique les guide ensuite à travers un microcanal en serpentin (voir le dessin ci-dessus) et dans la zone de détection à grande vitesse. Là, une caméra haute résolution enregistre leur taille, forme et structure en utilisant les effets de lumière. Dans une dernière étape, ils peuvent être triés en fonction de leurs propriétés.

Instantanés sur les boucles

Une particularité de cette approche est que les cellules passent par plusieurs boucles parallèles, ce qui permet à la caméra d'enregistrer un grand nombre de cellules avec précision. Cela accélère la méthode de deMello, et permet un fonctionnement à des débits exceptionnellement élevés. "L'association des microfluides à l'imagerie permet de valoriser l'information, " dit-il. Dans les approches conventionnelles, en revanche, un détecteur enregistre une cellule après l'autre à un point spécifique.

Trois types d'images peuvent être obtenues avec cette technologie :des images en fond noir avec des informations sur la forme et la structure d'une cellule (ces images montrent des structures colorées sur un fond sombre), des images à fond clair contenant des informations sur la taille des cellules et des images fluorescentes contenant des informations sur l'apparence et la structure interne d'une cellule. L'extraction d'informations morphologiques en particulier distingue l'approche de deMello des autres approches fluorescentes ou basées sur les microfluides.

Imagerie comme Papa Flash

Quand ils ont rencontré un problème, Le groupe de deMello a bénéficié des années d'expérience en microfluidique à base de gouttelettes et en méthodes optiques :lorsque les gouttelettes, les cellules ou les microparticules s'écoulent très rapidement, les images – comme les photographies – deviennent parfois déformées ou floues. Le groupe de recherche a résolu ce problème en apprenant du passé :exposer les cellules, ils ont utilisé un éclairage stroboscopique qui décompose le flux continu de cellules - comme une caméra au ralenti - en une séquence d'images fixes. Cette méthode est devenue mondialement connue grâce à l'inventeur du flash stroboscope, Harold E. Edgerton, également connu sous le nom de Papa Flash, dont les photos cultes des années 1960 ont fait le tour du monde.

Grâce à l'exposition stroboscopique, les cellules individuelles qui se déplacent à un demi-mètre par seconde et en grande quantité peuvent être clairement enregistrées.

Pour tester les performances de leur méthode, le scientifique principal de deMello, Stavros Stavrakis, avec deux étudiants diplômés ont analysé une grande population cellulaire et un mode de vie différencié, cellules mourantes et mortes sur la base de leur fluorescence. Les chercheurs de l'ETH Zurich souhaitent poursuivre le développement de la méthode dans une perspective bactérienne, applications nanoscientifiques et industrielles.