Le professeur Thomas Gervais de Polytechnique Montréal et ses élèves Pierre-Alexandre Goyette et Étienne Boulais, en partenariat avec l'équipe dirigée par le professeur David Juncker de l'Université McGill, ont développé un nouveau procédé microfluidique visant à automatiser la détection de protéines par des anticorps. Ce travail, Publié dans Communication Nature , signale l'arrivée de nouveaux instruments portables pour accélérer le processus de criblage et l'analyse de molécules dans les laboratoires de biologie pour accélérer la recherche en biologie du cancer.

De la microfluidique conventionnelle à la microfluidique en espace ouvert

La microfluidique fait référence à la manipulation de fluides dans des appareils à micro-échelle. Communément appelé « labos sur puce », " les systèmes microfluidiques permettent d'étudier et d'analyser des échantillons chimiques ou biologiques à très petite échelle, remplaçant les instruments extrêmement coûteux et encombrants utilisés pour les analyses biologiques traditionnelles. Classé en 2001 parmi les « 10 technologies émergentes qui changeront le monde » par le MIT Technology Review, la microfluidique est considérée comme tout aussi révolutionnaire pour la biologie et la chimie que les microprocesseurs l'ont été pour l'électronique et l'informatique, et cela s'applique à un marché énorme.

Aujourd'hui, cette jeune discipline, qui a commencé à décoller dans les années 2000 avec des systèmes fermés constitués de réseaux de microcanaux, est lui-même radicalement transformé par la découverte du groupe de chercheurs de Polytechnique et de l'Université McGill, qui renforce les fondements théoriques et expérimentaux de la microfluidique en espace ouvert.

Cette technologie, qui élimine les canaux, concurrence favorablement la microfluidique conventionnelle pour certains types d'analyses. En effet, la configuration classique des dispositifs microfluidiques à canaux fermés présente plusieurs inconvénients :l'échelle des sections transversales des canaux augmente le stress que subissent les cellules lorsqu'elles sont en culture, et ils ne sont pas compatibles avec la norme de culture cellulaire, la boîte de Pétri, ce qui rend difficile pour l'industrie de l'adopter.

La nouvelle approche explorée par les chercheurs de Polytechnique et de l'Université McGill est basée sur les multipôles microfluidiques (MFM), un système d'aspiration et d'aspiration simultanées de fluides par micro-ouvertures opposées sur une très petite surface placée dans un espace confiné de moins de 0,1 mm d'épaisseur. "Quand ils entrent en contact les uns avec les autres, ces jets de fluides forment des motifs que l'on peut voir en les colorant avec des réactifs chimiques, " explique le professeur Gervais. " Nous voulions comprendre ces modèles tout en développant une méthode fiable pour modéliser les MFM. "

Élégante symétrie visuelle rappelant le travail de l'artiste M. C. Escher

Pour comprendre ces modèles, L'équipe du professeur Gervais a dû développer un nouveau modèle mathématique pour les écoulements multipolaires ouverts. Ce modèle est basé sur une branche classique des mathématiques connue sous le nom de cartographie conforme qui résout un problème lié à une géométrie complexe en la réduisant à une géométrie plus simple (et vice-versa).

doctorat l'étudiant Étienne Boulais a d'abord développé un modèle pour étudier les collisions de microjets dans un dipôle multifluidique (un MFM avec seulement deux ouvertures), puis, s'appuyant sur cette théorie mathématique, extrapolé le modèle aux MFM à ouvertures multiples. "On peut faire une analogie avec un jeu d'échecs dans lequel il existe une version à quatre joueurs, puis six ou huit, appliquer une déformation spatiale tout en conservant les mêmes règles du jeu, " il explique.

"Lorsqu'il est soumis à une cartographie conforme, les motifs créés par les collisions de jets de fluide forment des images symétriques qui rappellent les peintures de l'artiste néerlandais M.C. Escher, " ajoute le jeune chercheur, qui a une passion pour les arts visuels. "Mais bien au-delà de son attrait esthétique, notre modèle nous permet de décrire la vitesse à laquelle les molécules se déplacent dans les fluides ainsi que leur concentration. Nous avons défini des règles valides pour toutes les configurations de systèmes possibles jusqu'à 12 pôles afin de générer une grande variété de modèles d'écoulement et de diffusion."

La méthode est donc une boîte à outils complète qui permettra non seulement de modéliser et d'expliquer les phénomènes se produisant dans les MFM, mais aussi explorer de nouvelles configurations. Grâce à cette méthode, il est désormais possible d'automatiser les tests microfluidiques en espace ouvert, qui jusqu'à présent n'ont été explorées que par essais et erreurs.

Fabrication de l'appareil par impression 3D

La conception et la fabrication du dispositif MFM ont été réalisées par Pierre-Alexandre Goyette. Cet appareil est une petite sonde en résine utilisant un procédé d'impression 3D à faible coût et connectée à un système de pompes et d'injecteurs.

« L'expertise de l'équipe du professeur Juncker dans la détection de protéines par des anticorps immobilisés sur une surface a été précieuse pour gérer les aspects biologiques de ce projet, " explique le doctorant en génie biomédical. " Les résultats obtenus avec les dosages ont validé la précision des modèles développés par mon collègue Étienne. "

Le dispositif permet l'utilisation simultanée de plusieurs réactifs pour détecter différentes molécules dans un même échantillon, ce qui fait gagner un temps précieux aux biologistes. Pour certains types de tests, le temps d'analyse pourrait être réduit de plusieurs jours à quelques heures, ou même une question de minutes. En outre, la polyvalence de cette technologie devrait la rendre utilisable pour divers processus analytiques, y compris les tests immunologiques et ADN.

Vers un affichage microfluidique ?

L'équipe du professeur Gervais envisage déjà une prochaine étape de son projet :le développement d'un écran affichant une image chimique.

"Ce serait une sorte d'équivalent chimique de l'affichage à cristaux liquides, " explique le professeur Gervais. " De la même manière que nous déplaçons des électrons sur un écran, on enverrait des jets de fluide à différentes concentrations qui réagiraient avec une surface. Ensemble, ils formeraient une image. Nous sommes très heureux d'aller de l'avant avec ce projet, pour laquelle nous avons obtenu un brevet provisoire."

Réinvention des procédures de diagnostic et suivi médical-traitement

Pour l'instant, la technologie développée par cette équipe de recherche s'adresse au marché de la recherche fondamentale. "Nos procédés permettent d'exposer les cellules à de nombreux réactifs simultanément, " dit le professeur Gervais. " Ils peuvent aider les biologistes à étudier les interactions entre les protéines et les réactifs à grande échelle, augmenter la quantité et la qualité des informations obtenues lors des dosages."

Il explique que par la suite, le marché pharmaceutique pourra également bénéficier des nouvelles méthodes d'automatisation des systèmes de criblage résultant de la découverte. Dernièrement, il ouvre une nouvelle voie pour la découverte de médicaments en facilitant la culture cellulaire des patients et l'exposition à divers agents médicamenteux afin de déterminer ceux auxquels ils répondent le mieux.