02 avril 2024 (Projecteur Nanowerk) Microfluidique, la technologie permettant de contrôler avec précision les fluides à l’échelle submillimétrique, promet depuis longtemps de révolutionner la recherche biologique et le diagnostic médical. En miniaturisant les tests en minuscules gouttelettes d'eau dans l'huile, ces plates-formes peuvent analyser des cellules individuelles avec une vitesse et une efficacité sans précédent tout en réduisant considérablement les coûts des réactifs. Chaque gouttelette à l'échelle du picolitre sert de microréacteur isolé, permettant des études à haut débit du comportement cellulaire et permettant diverses applications allant du criblage de médicaments à l'analyse de cellules rares. Cependant, libérer tout le potentiel de la microfluidique des gouttelettes a été entravé par le défi consistant à analyser rapidement et de manière complète le contenu de ces minuscules compartiments. Les approches conventionnelles reposent sur des configurations de microscopie complexes et coûteuses, utilisant des caméras à grande vitesse pour imager chaque gouttelette lorsqu'elle traverse l'appareil. La complexité technique et les coûts élevés associés à de tels systèmes ont limité l’adoption généralisée de techniques basées sur les gouttelettes en recherche et en milieu clinique. Aujourd’hui, une équipe multidisciplinaire de scientifiques a développé OptiDrop, un dispositif innovant qui surmonte ingénieusement ces limitations en intégrant des fibres optiques directement dans une puce microfluidique. Cette nouvelle approche permet la détection de plusieurs paramètres optiques à partir de gouttelettes individuelles et de leur contenu sans recourir à un microscope ou une caméra. Le résultat, rapporté dans Microsystems & Nanoengineering ("Détection multiplexée de fluorescence et de diffusion avec une résolution de cellule unique utilisant des fibres optiques sur puce pour les applications microfluidiques de gouttelettes"), est une plateforme miniaturisée, abordable et conviviale qui apporte la puissance de l'analyse monocellulaire multiparamétrique dans un format de paillasse.
a La plateforme OptiDrop comprend une puce microfluidique avec une entrée d'huile et d'eau pour la formation de gouttelettes au niveau de la jonction de focalisation du flux. La phase aqueuse est encapsulée dans des gouttelettes et s'écoule ensuite à travers le site d'interrogation optique (encadré) flanqué d'un ensemble de rainures pour fibres optiques disposées autour du canal central. Les rainures sur la puce sont utilisées pour loger les fibres optiques dans des positions angulaires définies, permettant un éclairage efficace des gouttelettes avec la lumière laser incidente et la collecte de signaux de lumière dispersée et de fluorescence lorsque la gouttelette traverse le faisceau lumineux. La sortie de la fibre optique est couplée à un PMT pour la détection. Les comptes d'impulsions TTL de chaque PMT sont intégrés par une puce FPGA avec un compteur d'impulsions et tracés sous forme de données brutes de pic d'intensité du signal. Les données brutes peuvent être analysées davantage pour identifier ou mesurer les intensités de fluorescence des cellules d’intérêt. b Unité assemblée sur table avec une règle au pied pour la balance, un écran de visualisation du flux de données en direct et des pousse-seringues. (Image : Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) L'innovation principale d'OptiDrop réside dans le positionnement stratégique des fibres optiques autour du canal microfluidique. Lorsque chaque gouttelette traverse le point d’interrogation, un laser l’éclaire, générant des signaux de diffusion et de fluorescence. Ces signaux optiques sont collectés efficacement par des fibres placées à des angles de 45° puis acheminés vers des détecteurs séparés. L'électronique sur mesure numérise les signaux en temps réel, permettant une visualisation et une analyse instantanées du profil optique de chaque gouttelette.
Pour valider les performances d'OptiDrop, les chercheurs ont d'abord caractérisé sa sensibilité et sa plage dynamique à l'aide de colorants fluorescents standardisés. De manière impressionnante, l’appareil pourrait détecter des concentrations de colorant aussi faibles que 1 nanoMolar, rivalisant avec les limites de détection atteintes par les instruments conventionnels tout en ne nécessitant qu’une fraction du volume de l’échantillon. De plus, l'intensité de fluorescence mesurée par OptiDrop s'échelonne linéairement sur une large gamme de concentrations, garantissant une quantification précise et fiable.
Les chercheurs ont ensuite démontré les capacités d'OptiDrop pour l'analyse de particules en utilisant des microbilles de différentes tailles et intensités de fluorescence comme imitations cellulaires. La plate-forme distingue facilement les billes en fonction de leurs dimensions physiques et de leurs propriétés optiques. Notamment, même dans un mélange hétérogène de billes faiblement et brillamment fluorescentes, OptiDrop a identifié et énuméré avec précision chaque sous-population. Cela met en évidence la robustesse du système dans l’analyse d’échantillons biologiques complexes contenant divers types de cellules.
Pour présenter l'utilité de la plateforme pour une application biologiquement pertinente, l'équipe a mené un test sur cellules vivantes étudiant l'expression de surface des protéines du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) sur les cellules immunitaires. Les molécules du CMH sont des régulateurs essentiels des réponses immunitaires contre les agents pathogènes et les cellules anormales, faisant de leurs niveaux d’expression de précieux biomarqueurs. En exploitant des anticorps marqués par fluorescence, OptiDrop a permis la détection simultanée des protéines du CMH de classe I et II sur des cellules individuelles encapsulées dans des gouttelettes. La stimulation des cellules avec l'interféron gamma, une cytokine immunostimulatrice, a provoqué la régulation positive attendue de l'expression du CMH, qui a été quantifiée avec sensibilité par la plateforme OptiDrop.
Le développement d’OptiDrop marque une avancée significative vers la démocratisation des capacités d’analyse de pointe d’une seule cellule. En surmontant les barrières de coût et de complexité qui ont entravé l’adoption de la microfluidique des gouttelettes, cette plateforme innovante met de puissants outils d’interrogation cellulaire à la portée d’un plus large éventail de chercheurs et de cliniciens. Son prix abordable, sa convivialité et sa robustesse le rendent bien adapté au déploiement de routine dans les laboratoires de recherche biomédicale et les paramètres de diagnostic sur le lieu d'intervention.
Les applications potentielles d’OptiDrop sont vastes et de grande envergure. Dans le domaine de la surveillance des maladies, cela pourrait permettre une détection ultrasensible de biomarqueurs rares, facilitant ainsi un diagnostic précoce non invasif et une évaluation de la réponse au traitement. L'intégration avec les flux de travail de séquençage unicellulaire peut permettre une corrélation directe des phénotypes visuels avec les profils d'expression génique, offrant ainsi une compréhension plus complète des états cellulaires. En outre, la conception fermée de la plateforme et sa capacité à traiter rapidement des échantillons cliniques la rendent particulièrement intéressante pour les tests de maladies infectieuses et d'autres applications de diagnostic urgentes.
Bien qu'OptiDrop représente une avancée significative, il reste encore de la place pour une optimisation et une expansion supplémentaires de ses capacités. Augmenter le débit en permettant des débits de gouttelettes plus rapides et en générant des gouttelettes plus petites pourrait améliorer son efficacité et son évolutivité. L'intégration de fonctionnalités de tri actif permettrait aux utilisateurs d'isoler des sous-populations d'intérêt spécifiques en fonction de leurs signatures optiques, permettant ainsi des analyses moléculaires en aval. De plus, le développement de conceptions de cartouches standardisées et d’interfaces logicielles intuitives sera crucial pour rationaliser son fonctionnement et l’interprétation des données.
À mesure que notre compréhension des systèmes biologiques devient de plus en plus nuancée, des outils comme OptiDrop, qui intègrent de manière transparente la microfluidique, l’optique et l’électronique, seront indispensables pour comprendre leurs subtilités. En fournissant une plate-forme accessible et polyvalente pour l'analyse unicellulaire à haut débit, OptiDrop offre aux chercheurs et aux cliniciens un outil puissant pour poser de nouvelles questions, remettre en question les paradigmes existants et traduire les découvertes révolutionnaires en impacts concrets significatifs.
a La plateforme OptiDrop comprend une puce microfluidique avec une entrée d'huile et d'eau pour la formation de gouttelettes au niveau de la jonction de focalisation du flux. La phase aqueuse est encapsulée dans des gouttelettes et s'écoule ensuite à travers le site d'interrogation optique (encadré) flanqué d'un ensemble de rainures pour fibres optiques disposées autour du canal central. Les rainures sur la puce sont utilisées pour loger les fibres optiques dans des positions angulaires définies, permettant un éclairage efficace des gouttelettes avec la lumière laser incidente et la collecte de signaux de lumière dispersée et de fluorescence lorsque la gouttelette traverse le faisceau lumineux. La sortie de la fibre optique est couplée à un PMT pour la détection. Les comptes d'impulsions TTL de chaque PMT sont intégrés par une puce FPGA avec un compteur d'impulsions et tracés sous forme de données brutes de pic d'intensité du signal. Les données brutes peuvent être analysées davantage pour identifier ou mesurer les intensités de fluorescence des cellules d’intérêt. b Unité assemblée sur table avec une règle au pied pour la balance, un écran de visualisation du flux de données en direct et des pousse-seringues. (Image : Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) L'innovation principale d'OptiDrop réside dans le positionnement stratégique des fibres optiques autour du canal microfluidique. Lorsque chaque gouttelette traverse le point d’interrogation, un laser l’éclaire, générant des signaux de diffusion et de fluorescence. Ces signaux optiques sont collectés efficacement par des fibres placées à des angles de 45° puis acheminés vers des détecteurs séparés. L'électronique sur mesure numérise les signaux en temps réel, permettant une visualisation et une analyse instantanées du profil optique de chaque gouttelette.
Pour valider les performances d'OptiDrop, les chercheurs ont d'abord caractérisé sa sensibilité et sa plage dynamique à l'aide de colorants fluorescents standardisés. De manière impressionnante, l’appareil pourrait détecter des concentrations de colorant aussi faibles que 1 nanoMolar, rivalisant avec les limites de détection atteintes par les instruments conventionnels tout en ne nécessitant qu’une fraction du volume de l’échantillon. De plus, l'intensité de fluorescence mesurée par OptiDrop s'échelonne linéairement sur une large gamme de concentrations, garantissant une quantification précise et fiable.
Les chercheurs ont ensuite démontré les capacités d'OptiDrop pour l'analyse de particules en utilisant des microbilles de différentes tailles et intensités de fluorescence comme imitations cellulaires. La plate-forme distingue facilement les billes en fonction de leurs dimensions physiques et de leurs propriétés optiques. Notamment, même dans un mélange hétérogène de billes faiblement et brillamment fluorescentes, OptiDrop a identifié et énuméré avec précision chaque sous-population. Cela met en évidence la robustesse du système dans l’analyse d’échantillons biologiques complexes contenant divers types de cellules.
Pour présenter l'utilité de la plateforme pour une application biologiquement pertinente, l'équipe a mené un test sur cellules vivantes étudiant l'expression de surface des protéines du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) sur les cellules immunitaires. Les molécules du CMH sont des régulateurs essentiels des réponses immunitaires contre les agents pathogènes et les cellules anormales, faisant de leurs niveaux d’expression de précieux biomarqueurs. En exploitant des anticorps marqués par fluorescence, OptiDrop a permis la détection simultanée des protéines du CMH de classe I et II sur des cellules individuelles encapsulées dans des gouttelettes. La stimulation des cellules avec l'interféron gamma, une cytokine immunostimulatrice, a provoqué la régulation positive attendue de l'expression du CMH, qui a été quantifiée avec sensibilité par la plateforme OptiDrop.
Le développement d’OptiDrop marque une avancée significative vers la démocratisation des capacités d’analyse de pointe d’une seule cellule. En surmontant les barrières de coût et de complexité qui ont entravé l’adoption de la microfluidique des gouttelettes, cette plateforme innovante met de puissants outils d’interrogation cellulaire à la portée d’un plus large éventail de chercheurs et de cliniciens. Son prix abordable, sa convivialité et sa robustesse le rendent bien adapté au déploiement de routine dans les laboratoires de recherche biomédicale et les paramètres de diagnostic sur le lieu d'intervention.
Les applications potentielles d’OptiDrop sont vastes et de grande envergure. Dans le domaine de la surveillance des maladies, cela pourrait permettre une détection ultrasensible de biomarqueurs rares, facilitant ainsi un diagnostic précoce non invasif et une évaluation de la réponse au traitement. L'intégration avec les flux de travail de séquençage unicellulaire peut permettre une corrélation directe des phénotypes visuels avec les profils d'expression génique, offrant ainsi une compréhension plus complète des états cellulaires. En outre, la conception fermée de la plateforme et sa capacité à traiter rapidement des échantillons cliniques la rendent particulièrement intéressante pour les tests de maladies infectieuses et d'autres applications de diagnostic urgentes.
Bien qu'OptiDrop représente une avancée significative, il reste encore de la place pour une optimisation et une expansion supplémentaires de ses capacités. Augmenter le débit en permettant des débits de gouttelettes plus rapides et en générant des gouttelettes plus petites pourrait améliorer son efficacité et son évolutivité. L'intégration de fonctionnalités de tri actif permettrait aux utilisateurs d'isoler des sous-populations d'intérêt spécifiques en fonction de leurs signatures optiques, permettant ainsi des analyses moléculaires en aval. De plus, le développement de conceptions de cartouches standardisées et d’interfaces logicielles intuitives sera crucial pour rationaliser son fonctionnement et l’interprétation des données.
À mesure que notre compréhension des systèmes biologiques devient de plus en plus nuancée, des outils comme OptiDrop, qui intègrent de manière transparente la microfluidique, l’optique et l’électronique, seront indispensables pour comprendre leurs subtilités. En fournissant une plate-forme accessible et polyvalente pour l'analyse unicellulaire à haut débit, OptiDrop offre aux chercheurs et aux cliniciens un outil puissant pour poser de nouvelles questions, remettre en question les paradigmes existants et traduire les découvertes révolutionnaires en impacts concrets significatifs.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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