Nye automatiserede biologiske prøveanalysesystemer til at fremskynde sygdomsopdagelse

Professor Thomas Gervais fra Polytechnique Montréal og hans elever Pierre-Alexandre Goyette og Étienne Boulais, i partnerskab med teamet ledet af professor David Juncker fra McGill University, har udviklet en ny mikrofluid proces, der har til formål at automatisere proteindetektering af antistoffer. Dette arbejde, udgivet i Naturkommunikation , peger på ankomsten af ​​nye bærbare instrumenter til at fremskynde screeningsprocessen og molekyleanalyser i biologiske laboratorier for at fremskynde forskning i kræftbiologi.

Fra konventionelle mikrofluidika til mikrofluidik i åbent rum

Mikrofluidik refererer til manipulation af væsker i mikroskalaenheder. Almindeligt kaldet "laboratorier på en chip, "mikrofluidiske systemer bruges til at studere og analysere meget små kemiske eller biologiske prøver, udskiftning af de ekstremt dyre og besværlige instrumenter, der bruges til traditionelle biologiske analyser. Opført i 2001 blandt "10 nye teknologier, der vil ændre verden" af MIT Technology Review, mikrofluidik betragtes lige så revolutionerende inden for biologi og kemi som mikroprocessorer har været inden for elektronik og it, og det gælder et stort marked.

I dag, denne unge disciplin, som begyndte at tage fart i 2000'erne med lukkede systemer bestående af mikrokanalnetværk, bliver selv radikalt transformeret af opdagelsen foretaget af forskergruppen fra Polytechnique og McGill University, hvilket styrker det teoretiske og eksperimentelle grundlag for mikrofluidik i åbent rum.

Denne teknologi, som fjerner kanaler, konkurrerer positivt med konventionel mikrofluidik om visse typer analyser. Ja, den klassiske konfiguration af lukkede kanals mikrofluidiske enheder giver flere ulemper:kanaltværsnittets skala øger den belastning, cellerne udsættes for, når de er i kultur, og de er ikke kompatible med cellekulturstandarden, petriskålen, hvilket gør det svært for industrien at vedtage det.

Den nye tilgang undersøgt af forskere fra Polytechnique og McGill University er baseret på mikrofluidiske multipoler (MFM'er), et system med samtidig væskesugning og opsugning gennem modstående mikroåbninger på en meget lille overflade placeret i et lukket rum, der er mindre end 0,1 mm tykt. "Når de kommer i kontakt med hinanden, disse stråler med væske danner mønstre, der kan ses ved at farve dem med kemiske reagenser, "siger professor Gervais." Vi ville forstå disse mønstre, samtidig med at vi udviklede en pålidelig metode til modellering af MFM'er. "

Elegant visuel symmetri, der minder om kunstneren M. C. Eschers arbejde

For at forstå disse mønstre, Professor Gervais 'team måtte udvikle en ny matematisk model til åbne multipolare strømme. Denne model er baseret på en klassisk gren af ​​matematik kendt som konform mapping, der løser et problem relateret til en kompleks geometri ved at reducere den til en enklere geometri (og omvendt).

Ph.d. studerende Étienne Boulais udviklede først en model til undersøgelse af mikrojetkollisioner i en multifluidisk dipol (en MFM med kun to åbninger), og så, afhængig af denne matematiske teori, ekstrapoleret modellen til MFM'er med flere åbninger. "Vi kan lave en analogi med et skakspil, hvor der er en version med fire spillere, derefter seks eller otte, anvende en rumlig deformation og samtidig bevare de samme spilleregler, "forklarer han.

"Når den underkastes en konform kortlægning, mønstrene skabt af flydende jetkollisioner danner symmetriske billeder, der minder om malerierne af den hollandske kunstner M.C. Escher, "tilføjer den unge forsker, der har en passion for billedkunst. "Men langt ud over dets æstetiske appel, vores model giver os mulighed for at beskrive den hastighed, hvormed molekyler bevæger sig gennem væsker samt deres koncentration. Vi har defineret gyldige regler for alle mulige systemkonfigurationer på op til 12 poler for at generere en lang række flow- og diffusionsmønstre. "

Metoden er derfor en komplet værktøjskasse, der ikke kun vil gøre det muligt at modellere og forklare de fænomener, der forekommer i MFM'er, men også udforske nye konfigurationer. Takket være denne metode, det er nu muligt at automatisere mikrofluidiske tests i åbent rum, som indtil nu kun nogensinde er blevet undersøgt gennem forsøg og fejl.

Fremstilling af enheden ved hjælp af 3D-udskrivning

Designet og fremstillingen af ​​MFM-enheden blev udført af Pierre-Alexandre Goyette. Denne enhed er en lille sonde lavet af harpiks ved hjælp af en billig 3D-udskrivningsproces og forbundet til et system med pumper og injektorer.

"Professor Junckers teams ekspertise i påvisning af proteiner ved antistoffer immobiliseret på en overflade har været uvurderlig i forvaltningen af ​​de biologiske aspekter af dette projekt, "siger ph.d. -studerende i biomedicinsk teknik." Resultaterne opnået med assays validerede nøjagtigheden af ​​de modeller, der blev udviklet af min kollega Étienne. "

Enheden tillader samtidig brug af flere reagenser til at detektere forskellige molekyler i den samme prøve, hvilket sparer biologer værdifuld tid. For visse typer test, analysetiden kunne reduceres fra flere dage til et par timer, eller endda et spørgsmål om minutter. Ud over, alsidigheden af ​​denne teknologi bør gøre den anvendelig til forskellige analytiske processer, herunder immunologiske og DNA -test.

Mod et mikrofluid display?

Professor Gervais 'team overvejer allerede et næste trin i sit projekt:udviklingen af ​​en skærm, der viser et kemisk billede.

"Det ville være en slags kemisk ækvivalent til flydende krystaldisplayet, "Professor Gervais forklarer." På samme måde som vi flytter elektroner hen over en skærm, vi ville sende væskestråler i forskellige koncentrationer, der ville reagere med en overflade. Sammen, de ville danne et billede. Vi er meget begejstrede for at komme videre med dette projekt, hvortil vi har opnået et foreløbigt patent. "

Genopfindelse af diagnostiske procedurer og opfølgning af medicinsk behandling

For nu, teknologien udviklet af dette forskerhold er rettet mod det grundlæggende forskningsmarked. "Vores processer gør det muligt at udsætte celler for mange reagenser samtidigt, "Professor Gervais siger." De kan hjælpe biologer med at studere interaktionerne mellem proteiner og reagenser i stor skala, øge mængden og kvaliteten af ​​information, der er opnået under assays. "

Han forklarer, at efterfølgende Det farmaceutiske marked vil også kunne drage fordel af nye metoder til screening af systemautomatisering som følge af opdagelsen. Endelig, det åbner en ny vej til opdagelse af lægemidler ved at lette patientens cellekultur og udsættelse for forskellige lægemiddelmidler for at afgøre, hvilke de reagerer bedst på.