Découverte qui renforce les fondements théoriques et expérimentaux de la microfluidique en milieu ouvert
Publié par Isabelle le 25/04/2019 à 14:00
Source: Université McGill

Découverte réalisée à Polytechnique Montréal en collaboration avec l'Université McGill ouvre la voie à de nouveaux systèmes automatisés d'analyse d'échantillons biologiques

De la microfluidique conventionnelle à la microfluidique en milieu ouvert

La microfluidique désigne la manipulation des fluides dans des dispositifs à l'échelle micrométrique. Communément appelés "laboratoires sur puce", les systèmes microfluidiques permettent l'étude et l'analyse d'échantillons chimiques ou biologiques à très petite échelle, en remplaçant les très coûteux et volumineux instruments servant aux analyses biologiques traditionnelles.Classée en 2001 parmi les"dix techniques émergentes qui vont changer le monde (Le mot monde peut désigner :)" par la Technology Review du MIT, la microfluidique est considérée comme une révolution pour la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) et la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de même ampleur que celle que les microprocesseurs ont fait vivre au domaine de l'électronique et de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de...), et elle s'adresse (Les adresses forment une notion importante en communication, elles permettent à une entité de s'adresser à une autre parmi un ensemble d'entités. Pour qu'il n'y...) à un énorme marché.

Aujourd'hui, cette jeune discipline qui a pris son essor à partir des années 2000, en se développant avec des dispositifs fermés composés de réseaux de microcanaux, se trouve elle- même transformée par la découverte du groupe de chercheurs de Polytechnique et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) McGill, qui renforce les fondements théoriques et expérimentaux de la microfluidique en milieu ouvert.

Cette dernière, qui élimine les canaux, concurrence avantageusement la microfluidique conventionnelle pour certains types d'analyses. La configuration des dispositifs microfluidiques en canaux fermés présente en effet plusieurs désavantages: l'échelle des sections transversales des canaux augmente le stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes...) que les cellules subissent lorsqu'elles sont cultivées; et ces dispositifs ne sont pas compatibles avec le standard de la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec...) cellulaire, le plat de Pétri, ce qui fait que l'industrie peine à l'adopter.

La nouvelle approche explorée par les chercheurs de Polytechnique Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires internationales. Montréal a...) et de l'Université McGill s'élabore à partir de multipôles microfluidiques (MMF) consistant en un système d'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) et d'aspiration simultanée de liquides par des micro-ouvertures opposées sur une toute petite surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) placée dans un espace confiné de moins de 0,1 mm d'épaisseur. "En s'entrechoquant, ces jets de fluides forment des motifs que l'on peut visualiser en les colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) grâce à des réactifs chimiques. Nous avons voulu comprendre ces motifs tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en développant une méthode fiable de modélisation des MMF", déclare le Pr Thomas Gervais.

D'élégantes symétries visuelles qui rappellent l'oeuvre de l'artiste MC Escher

Pour parvenir à comprendre ces motifs, l'équipe du Pr Gervais a dû développer une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les...) dite des écoulements multipolaires ouverts. Cette théorie s'appuie sur une branche classique des mathématiques appelées transformations conformes qui permet de résoudre un problème lié à une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) complexe en la réduisant à une géométrie plus simple (et vice-versa).

Le doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et...) Étienne Boulais a d'abord développé un modèle permettant d'étudier les collisions de microjets dans un dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le retrouve dans plusieurs domaines :) microfluidique (donc un MMF à seulement deux ouvertures), puis en s'appuyant sur cette théorie mathématique, a extrapolé le modèle à des MMF à ouvertures multiples. "On peut faire une analogie avec un jeu d'échecs, dont on imaginerait une version à quatre joueurs, puis à six ou à huit, en pratiquant une déformation spatiale tout en conservant les mêmes règles du jeu", explique ce dernier.

"Passés par la transformation conforme, les motifs formés par la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) de jets de fluides forment des images symétriques qui rappellent les tableaux du peintre hollandais MC Escher", poursuit le jeune chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...), passionné par les arts visuels. "Mais bien au-delà de son aspect esthétique, notre modèle permet de décrire la vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) des molécules dans les fluides ainsi que la concentration des réactifs. Nous avons défini des règles valables pour toutes les configurations possibles de systèmes allant jusqu'à 12 pôles, afin de générer une large variété de modèles d'écoulement et de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...)."

La méthode se présente donc comme une boîte à outils complète qui permettra non seulement de modéliser et d'expliquer les phénomènes en action dans les MMF, mais aussi d'explorer de nouvelles configurations. Grâce à cette méthode, il devient dorénavant possible d'automatiser les essais microfluidiques en espace ouvert sur de grandes surfaces en simultané, ce qui n'avait jusqu'ici jamais été autrement exploré que par essai et erreur.


Illustration de l'effet des transformations mathématiques utilisées, d'abord sur l'image d'un jeu d'échecs, puis sur les multipôles microfluidiques.

Fabrication du dispositif en impression 3D

La conception et la fabrication du dispositif MMF ont été quant à elles prises en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) par Pierre- Alexandre Goyette. Ce dispositif se présente comme une petite sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs électriques...), fabriquée en résine par un procédé d'impression 3D bon marché, et reliée à un système de pompes et d'injecteurs.

"L'expertise de l'équipe du Pr Juncker en détection de protéines par des anticorps immobilisés sur une surface a été précieuse pour gérer les aspects biologiques de ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...)", souligne le doctorant en génie biomédical (Le génie biomédical est une branche de l’ingénierie visant au contrôle des systèmes biologiques ou au développement d’appareils servant au diagnostic et au traitement des patients. Ce domaine interdisciplinaire...). "Les résultats obtenus avec des essais nous ont permis de valider l'exactitude des modèles développés par mon collègue Étienne."

Le dispositif autorise l'utilisation simultanée de plusieurs réactifs pour détecter différentes molécules dans un même échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :), ce qui fait gagner un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) précieux aux biologistes. Pour certains types de tests, le temps d'analyse pourrait ainsi être réduit de plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...) à quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :), voire quelques dizaines de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...). En outre, la polyvalence de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) devrait la rendre exploitable pour divers processus d'analyse, entre autres des tests immunologiques ou d'ADN.

Vers un afficheur microfluidique ?

L'équipe du Pr Gervais envisage déjà une prochaine étape à son projet: le développement d'un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par...) sur lequel s'afficherait une image chimique.

"Il s'agirait d'une sorte d'équivalent chimique de l'afficheur à cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.)", explique Thomas Gervais. "De la même façon qu'on déplace des électrons sur un écran, on enverrait ici des jets de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines...) à diverses concentrations qui réagiraient avec une surface. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) formerait une image. Nous avons très hâte de poursuivre ce projet pour lequel nous avons obtenu un brevet provisoire."

Un renouveau des procédés de diagnostics et de suivi des traitements médicaux

Pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), la technologie développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la...) par cette équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) s'adresse au marché de la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale à...). "Nos procédés permettent d'exposer des cellules à de nombreux réactifs en parallèle. Ils pourront aider les biologistes à étudier à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...) les interactions entre les protéines et les réactifs, en augmentant la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) et la qualité d'informations obtenues durant les essais", affirme le Pr Gervais.

Celui-ci précise que dans un deuxième temps, le marché pharmaceutique pourra également bénéficier des nouvelles méthodes d'automatisation des systèmes de criblage qui découleront de la découverte. Enfin, celle-ci ouvre une nouvelle porte (La Nouvelle Porte est la plus récente ouverture pratiquée dans les fortifications de la vieille ville de Jérusalem. Elle se situe au...) à la découverte de médicaments, en facilitant la culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) des cellules de patients et leur exposition à différents agents médicamenteux pour déterminer celles qui répondent le mieux.

À propos de Polytechnique Montréal

Fondée en 1873, Polytechnique Montréal, université d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...), est l'une des plus importantes universités d'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un élève par...) et de recherche en génie au Canada. Elle occupe le premier rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème du rang lie le rang et la...) au Québec pour l'ampleur et l'intensité de ses activités de recherche en génie. Polytechnique Montréal est située sur le campus (Un campus (du mot latin désignant un champ) désigne l'espace rassemblant les bâtiments et l'infrastructure d'une université ou d'une école...) de l'Université de Montréal, le plus grand complexe universitaire francophone en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par...). Avec plus de 49000 diplômés, Polytechnique a formé 22 %desingénieursenexercicemembresdel'OrdredesingénieursduQuébec(OIQ).Ellepropose plus de 120 programmes de formation. Polytechnique compte 260 professeurs et 8600 étudiants. Son budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) annuel de fonctionnement s'élève à 215 millions de dollars, dont un budget de recherche de 81 millions de dollars.

Article: https://www.nature.com/articles/s41467-019-09740-7
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