La microfluidique et la transformation du paysage des diagnostiques
Presque toutes les industries d’aujourd’hui se sont, à un moment ou à un autre, adaptées au marché pour créer des variations plus rapides, plus petites et moins coûteuses de leur produit actuel. Les sciences de la vie ne font pas exception, et la miniaturisation des technologies existantes est devenue la nouvelle référence absolue que les entreprises, les instituts de recherche et les startups s’efforcent d’atteindre. La pandémie de COVID-19 a certainement mis en évidence les avantages et le besoin de tests de diagnostic rapides et précis.
Une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford a mis au point un « laboratoire sur puce » CRISPR pour détecter la COVID-19. « Le microlab est une puce microfluidique qui fait la moitié de la taille d’une carte de crédit et qui contient un réseau complexe de canaux plus petits que l'épaisseur d’un cheveu humain », selon l’auteur principal de l’étude, Juan G. Santiago, professeur de génie mécanique à la Charles Lee Powell Foundation Professor à Stanford.
Les technologies microfluidiques comme celle-ci peuvent transformer le paysage des diagnostics et, à mesure que les méthodes d’ingénierie s’améliorent, la fabrication gagne en rapidité et en précision. Une puce microfluidique peut être fabriquée avec une précision inférieure au micromètre, ce qui en fait une technologie idéale pour des applications telles que l’analyse de l’ADN/ARN, la culture cellulaire, le laboratoire sur puce ou l’organe sur puce, entre autres.
Applications de « laboratoire sur puce » (LOC - Lab on a Chip)
Des technologies telles que Drop-Seq, la réaction en chaîne par polymérase (PCR) ou les diagnostics basés sur CRISPR ont tiré parti des avantages de la microfluidique pour effectuer des processus complexes avec une seule goutte d’échantillon. Cette plateforme peut être optimisée pour associer des éléments fonctionnels tels que des filtres sanguins, des collecteurs d’échantillons, des vannes, des canaux, des chambres de réaction et des pompes.
Le « laboratoire sur puce » peut sembler idéal pour n’importe quelle application, mais ses avantages peuvent se transformer en inconvénients selon le procédé. Manipuler des gouttes de fluide de l’ordre du picolitre et tenter de consolider un processus entier sur une seule puce peut présenter toute une série de défis. Il est essentiel de prendre en compte tous les aspects d’un test, notamment la concentration d’analyte cible, les chimies et les paramètres de la méthode.
Limites de la microfluidique
Il est important de noter que les chimies requises pour un test typique peuvent affecter sa capacité à fonctionner de manière optimale dans un dispositif microfluidique. Non seulement certains solvants peuvent détériorer le matériau de la puce, mais d’autres peuvent interférer avec les réactions nécessaires. Le silicium, par exemple, peut empêcher la PCR s’il n’est pas traité, de sorte qu’une étape de fabrication supplémentaire doit être ajoutée pour recouvrir la surface ou qu’un matériau alternatif doit être sélectionné.
Les chimies de test peuvent également influencer le débit ou le motif dans le dispositif. Contrairement aux grands volumes, la tension superficielle a un effet significatif sur la microfluidique. Ainsi, l’inclusion de tensioactifs ou d’alcools peut modifier les performances de la micropuce. Pour des applications telles que l’analyse unicellulaire ou l’administration de médicaments, tenez toujours compte de l’impact de cet effet sur le volume, la vitesse et la reproductibilité des gouttes.
Drop-Seq est utilisé pour analyser les transcrits d’ARNm à l’aide de gouttelettes de liquide contenant une cellule unique, un tampon de lyse et une microbille avec des amorces à code-barres. En alternative au traitement et à la compartimentation des cellules dans une plaque de 96 puits, ce processus associe plusieurs étapes manuelles dans un seul dispositif simple. Le succès de Drop-Seq dépend de la production reproductible de gouttelettes de la taille d’un nanolitre. La pression dans le système doit être optimisée en ajustant la vitesse de la pompe qui contrôle le taux de libération d’huile, d’échantillon et de microbilles. Dans le système optimisé, le résultat final est une collection de gouttelettes individuelles contenant une microbille et une cellule.
L’état de l’échantillon
Outre les chimies requises pour les réactions, il est également nécessaire de considérer l’état de l’échantillon. Dans de nombreux cas, en particulier dans les essais cliniques, l’échantillon doit être prétraité et ce qui peut impliquer la filtration, la concentration, la lyse, le chauffage ou le refroidissement. Les minuscules canaux peuvent facilement être obstrués par des débris cellulaires ou de l’hémoglobine, donc certains échantillons doivent être filtrés pour assurer des résultats précis. Par ailleurs, des technologies, telles que les WAVEchips inobstruables, qui sont conçues pour tenir compte des impuretés dans l’échantillon, peuvent aider à éviter des étapes de traitement supplémentaires.
De nombreux essais cliniques doivent détecter des analytes de faible abondance, tels que des médicaments ou des acides nucléiques, et ne peuvent le faire que si l’échantillon est concentré ou amplifié. Ceci est courant dans la détection de l’ADN/ARN dans les échantillons biologiques.
Le système tout-en-un Accula de Mesa Biotech est un exemple de test rapide basé sur la PCR qui fournit des résultats visuels en 30 minutes sans utiliser de gros équipements coûteux. La cartouche de test Accula contient plusieurs éléments chauffants, réservoirs, canaux microfluidiques et chimies de processus pour permettre la lyse cellulaire, la transcriptase inverse de l’ARN viral, l’amplification par PCR et, enfin, la détection.
Le système Accula et d’autres technologies basées sur la PCR dépendent de plusieurs incubations ou réactions chronométrées pour préparer l’échantillon à la détection, ce qui peut compliquer le processus de miniaturisation. Cependant, la microfluidique a permis aux développeurs de réduire le temps requis pour ces réactions, car les courtes longueurs de diffusion améliorent les interactions entre les réactifs, et le rapport surface/volume élevé offre un transfert de chaleur plus efficace et un temps de réaction réduit.
Alternativement, certains systèmes, tels que la plateforme basée sur CRISPR de Sherlock, ont développé une solution de contournement utilisant l’amplification isotherme au lieu de la PCR. Ce système ne nécessite pas de chauffage et de refroidissement pour traiter l’échantillon car les réactions se produisent à une température constante.
Bien que la pandémie de COVID-19 ait peut-être mis les dispositifs de diagnostic au point de service sous les projecteurs, ces technologies émergentes et les efforts visant à miniaturiser les processus prospèrent depuis des années. Le nombre d’organisations qui trouvent de nouvelles façons de créer des dispositifs de diagnostic simples et faciles à utiliser en appliquant la microfluidique n’a jamais été aussi élevé. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés dans le domaine, nous n’avons fait qu’effleurer la surface sur la réelle efficacité de ces technologies. Il est essentiel de comprendre quand et comment utiliser au mieux la miniaturisation avant d’aller de l’avant ; les avantages, lorsqu’elle est correctement exécutée, sont nombreux.
Conclusion
Collaborer avec une entreprise peut aider les chercheurs à répondre aux demandes du marché en matière de technologies microfluidiques plus rapides, plus petites et plus abordables, à mesure que les options se développent et gagnent en efficacité.
