Professor Thomas Gervais van Polytechnique Montréal en zijn studenten Pierre-Alexandre Goyette en Étienne Boulais, in samenwerking met het team onder leiding van professor David Juncker van McGill University, hebben een nieuw microfluïdisch proces ontwikkeld dat gericht is op het automatiseren van eiwitdetectie door antilichamen. Dit werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wijst op de komst van nieuwe draagbare instrumenten om het screeningsproces en molecuulanalyse in biologische laboratoria te versnellen om het onderzoek naar kankerbiologie te versnellen.

Van conventionele microfluïdica tot microfluïdica in de open ruimte

Microfluïdica verwijst naar de manipulatie van vloeistoffen in apparaten op microschaal. Gewoonlijk "labs op een chip" genoemd, " microfluïdische systemen worden gebruikt om zeer kleinschalige chemische of biologische monsters te bestuderen en te analyseren, ter vervanging van de extreem dure en omslachtige instrumenten die worden gebruikt voor traditionele biologische analyses. Vermeld in 2001 als een van de "10 opkomende technologieën die de wereld zullen veranderen" door de MIT Technology Review, microfluïdica wordt beschouwd als net zo revolutionair voor biologie en scheikunde als microprocessors zijn geweest voor elektronica en IT, en het is van toepassing op een enorme markt.

Vandaag, deze jonge discipline, die begon op te stijgen in de jaren 2000 met gesloten systemen bestaande uit microkanaalnetwerken, wordt zelf radicaal getransformeerd door de ontdekking van de groep onderzoekers van Polytechnique en McGill University, die de theoretische en experimentele grondslagen van microfluïdica in de open ruimte versterkt.

Deze technologie, die kanalen elimineert, concurreert gunstig met conventionele microfluïdica voor bepaalde soorten analyses. Inderdaad, de klassieke configuratie van microfluïdische apparaten met gesloten kanalen biedt verschillende nadelen:de schaal van de kanaaldoorsneden verhoogt de stress die cellen ondergaan wanneer ze in cultuur zijn, en ze zijn niet compatibel met de celcultuurstandaard, de petrischaal, wat het voor de industrie moeilijk maakt om het over te nemen.

De nieuwe aanpak die is onderzocht door onderzoekers van Polytechnique en McGill University is gebaseerd op microfluïdische multipolen (MFM's), een systeem van gelijktijdige aanzuiging en aspiratie van vloeistoffen door tegenover elkaar liggende micro-openingen op een zeer klein oppervlak geplaatst in een besloten ruimte die minder dan 0,1 mm dik is. "Als ze met elkaar in contact komen, deze vloeistofstralen vormen patronen die kunnen worden gezien door ze te verven met chemische reagentia, " zegt professor Gervais. "We wilden deze patronen begrijpen terwijl we een betrouwbare methode ontwikkelden voor het modelleren van MFM's."

Elegante visuele symmetrie die doet denken aan het werk van kunstenaar M.C. Escher

Om deze patronen te begrijpen, Het team van professor Gervais moest een nieuw wiskundig model ontwikkelen voor open multipolaire stromingen. Dit model is gebaseerd op een klassieke tak van de wiskunde die bekend staat als conforme mapping en die een probleem met een complexe geometrie oplost door het te reduceren tot een eenvoudigere geometrie (en vice versa).

doctoraat student Étienne Boulais ontwikkelde eerst een model om microjetbotsingen te bestuderen in een multifluïdische dipool (een MFM met slechts twee openingen), en dan, vertrouwend op deze wiskundige theorie, het model geëxtrapoleerd naar MFM's met meerdere openingen. "We kunnen een analogie maken met een schaakspel waarin er een versie is met vier spelers, dan zes of acht, het toepassen van een ruimtelijke vervorming met behoud van dezelfde spelregels, " hij legt uit.

"Wanneer onderworpen aan conforme mapping, de patronen die worden gecreëerd door botsingen met vloeistofstralen vormen symmetrische beelden die doen denken aan de schilderijen van de Nederlandse kunstenaar M.C. Escher, " voegt de jonge onderzoeker toe, die een passie heeft voor beeldende kunst. "Maar veel verder dan zijn esthetische aantrekkingskracht, ons model stelt ons in staat om de snelheid te beschrijven waarmee moleculen door vloeistoffen bewegen, evenals hun concentratie. We hebben geldige regels gedefinieerd voor alle mogelijke systeemconfiguraties tot 12 polen om een ​​grote verscheidenheid aan stroom- en diffusiepatronen te genereren."

De methode is dus een complete toolbox die het niet alleen mogelijk maakt om de verschijnselen die optreden in MFM's te modelleren en te verklaren, maar verken ook nieuwe configuraties. Dankzij deze methode, het is nu mogelijk om microfluïdische tests in de open ruimte te automatiseren, die tot nu toe alleen met vallen en opstaan ​​zijn onderzocht.

Fabricage van het apparaat met behulp van 3D-printen

Het ontwerp en de fabricage van het MFM-apparaat werd gerealiseerd door Pierre-Alexandre Goyette. Dit apparaat is een kleine sonde gemaakt van hars met behulp van een goedkoop 3D-printproces en verbonden met een systeem van pompen en injectoren.

"De expertise van het team van professor Juncker in de detectie van eiwitten door antilichamen die op een oppervlak zijn geïmmobiliseerd, is van onschatbare waarde geweest bij het beheer van de biologische aspecten van dit project, ", zegt de doctoraatsstudent in biomedische technologie. "De resultaten die met testen werden verkregen, valideerden de nauwkeurigheid van de modellen die door mijn collega Étienne werden ontwikkeld."

Het apparaat maakt het gelijktijdige gebruik van meerdere reagentia mogelijk om verschillende moleculen in hetzelfde monster te detecteren, wat biologen kostbare tijd bespaart. Voor bepaalde soorten tests, de analysetijd kan worden teruggebracht van enkele dagen tot enkele uren, of zelfs een kwestie van minuten. In aanvulling, de veelzijdigheid van deze technologie moet het bruikbaar maken voor verschillende analytische processen, inclusief immunologische en DNA-testen.

Op weg naar een microfluïdische weergave?

Het team van professor Gervais denkt al na over een volgende stap in zijn project:de ontwikkeling van een scherm waarop een chemisch beeld te zien is.

"Het zou een soort chemisch equivalent zijn van het vloeibaar-kristalscherm, Professor Gervais legt uit. "Op dezelfde manier waarop we elektronen over een scherm bewegen, we zouden vloeistofstralen in verschillende concentraties sturen die zouden reageren met een oppervlak. Samen, ze zouden een beeld vormen. We zijn erg enthousiast om verder te gaan met dit project, waarvoor we een voorlopig octrooi hebben verkregen."

Heruitvinding van diagnostische procedures en follow-up van medische behandelingen

Voor nu, de door dit onderzoeksteam ontwikkelde technologie is gericht op de markt voor fundamenteel onderzoek. "Onze processen maken het mogelijk om cellen tegelijkertijd aan veel reagentia bloot te stellen, Professor Gervais zegt. "Ze kunnen biologen helpen de interacties tussen eiwitten en reagentia op grote schaal te bestuderen, het verhogen van de hoeveelheid en de kwaliteit van de informatie die tijdens tests wordt verkregen."

Hij legt uit dat vervolgens de farmaceutische markt zal ook kunnen profiteren van nieuwe methoden voor automatisering van screeningsystemen die voortkomen uit de ontdekking. als laatste, het opent een nieuwe weg voor het ontdekken van geneesmiddelen door de celcultuur van patiënten en blootstelling aan verschillende geneesmiddelen te vergemakkelijken om te bepalen op welke ze het beste reageren.