BioMEMS et biologie cellulaire: perspectives et applications

Je m’appelle Albert Falk. Je suis professeur à l’Université de Washington à Seattle et je travaille sur le vaste domaine des biomes, qui signifie systèmes microélectromécaniques biomédicaux. Et nous travaillons sur la microfluidique et nous nous concentrons sur des applications en biologie cellulaire, principalement en neurosciences.

L’un des objectifs du laboratoire est d’essayer de surmonter les limites de la technologie traditionnelle de culture cellulaire. Si vous regardez la façon dont les biologistes cellulaires étudient les cellules dans, in vitro, dans une boîte de Pétri, vous remarquerez immédiatement que les cellules baignent dans un milieu de culture cellulaire homogène, et qu’elles sont également assises sur une, sur une surface qui est homogène. Cependant, dans le corps, les cellules ne sont pas sur une surface homogène.

Ils ne sont pas baignés dans, dans un milieu homogène. Ils sont en fait exposés à une variété de signaux qui changent dans l’espace et le temps, souvent sous la forme de gradients, et ils sont entourés d’une matrice de type gel. Il y a aussi quelques limitations pratiques lorsque vous étudiez des cellules dans une boîte de Pétri, vous avez besoin d’un incubateur, qui est un équipement volumineux et coûteux.

En règle générale, les biologistes veulent étudier un tas de conditions différentes. Ils veulent étudier les cellules dans une, disons dans une culture cellulaire A et une culture cellulaire B. Il y a beaucoup de variabilité dans la façon dont les cellules réagissent à ces composés. Donc, généralement, les biologistes mettent les cellules sur différentes boîtes de Pétri et ils, peut-être qu’ils le font en trois exemplaires et, puis ils étudient une, une gamme de conditions, de sorte qu’ils finissent par utiliser beaucoup de culture cellulaire, de milieu, beaucoup de fournitures, beaucoup de boîtes, et cela prend beaucoup d’espace.

Nous essayons donc de miniaturiser cela, et c’est l’un des aspects de la question. De plus, l’échange de ces cellules, la mise en place des cellules et l’échange du milieu de culture cellulaire nécessitent beaucoup de pipetage. C’est, c’est très coûteux en termes de temps et de personnel que cela implique, ainsi que de la quantité de fluides qui doivent être placés dans et hors de la boîte de Pétri

Une autre limitation est que pour remplir toutes les surfaces de cellules, vous devez utiliser un grand nombre de cellules, ce qui nécessite souvent de sacrifier beaucoup d’animaux. Et aussi cela peut être, cela peut être coûteux simplement à cause du nombre absolu. L’essentiel est donc que les techniques traditionnelles finissent par coûter beaucoup d’argent.

Ils sont très coûteux, à la fois en termes de temps et de personnel nécessaires pour l’utiliser pour mettre en œuvre n’importe quelle expérience et aussi les rendements dans la pratique, les biologistes finissent par faire des compromis sur le nombre de surfaces qu’il y a, ou les conditions sont étudiées. Et donc, il traite des données très faibles statistiquement. Les conclusions d’une étude biologique typique sont très qualitatives selon les normes d’ingénierie, et ainsi aboutit, il finit par que toutes ces études ne sont pas évolutives.

Donc, et cela devient un gros problème maintenant avec l’ère du domaine du génome, où les gens veulent étudier un grand nombre de conditions, beaucoup de variables, et pour, pour trouver de nouvelles variables, de nouveaux phénomènes cellulaires qui ne peuvent être révélés qu’en étudiant un grand nombre de cellules et de conditions. Les techniques de micro-fabrication nous offrent donc plusieurs avantages que nous exploitons pour différentes raisons. Il y a d’abord des avantages, d’un point de vue fondamental, de la même manière qu’en microélectronique les transistors fonctionnent le mieux, ils fonctionnent mieux parce qu’ils sont plus petits.

Là aussi on a, on construit des dispositifs qui accèdent à des échelles qui sont de l’ordre de l’objet étudié, qui sont des cellules. La technologie de micro-fabrication peut surmonter ces limitations, non pas d’une manière, mais dans, dans, de plusieurs façons pour une fois. Il vous permet de sonder des cellules uniques en très grand nombre.

Cela vous donne donc immédiatement des conclusions très quantitatives. En outre, il vous permet de faire des expériences bon marché. De plus, ces systèmes sont très peu coûteux à fabriquer dans le sens où vous pouvez fabriquer de nombreux appareils pour le prix d’un.

De plus, ils sont peu coûteux à utiliser parce qu’ils sont faciles, ils se prêtent très bien à l’automatisation. Ensuite, ces avantages du faible coût de fabrication et du faible coût d’exploitation se traduisent par des mises en œuvre commerciales très réussies. Et enfin, aussi, ces systèmes sont très, ces systèmes se prêtent très bien à la conception quantitative.

C’est très important parce que de cette façon, nous pouvons modéliser le comportement d’un dispositif microfluidique ou de la fabrication d’une surface et savoir exactement comment cela va fonctionner. Et puis on revient, on fait ça en modélisant. Nous n’allons pas encore au laboratoire.

Et puis une fois que tout fonctionne en théorie, alors nous allons et, et nous allons au laboratoire et nous le mettons en œuvre et nous gagnons beaucoup de temps à faire. Donc, l’une des principales technologies que nous utilisons dans notre laboratoire s’appelle la lithographie douce et ce sont des techniques de famille, de techniques sœurs qui ont été développées par George Whiteside à Harvard depuis le début des années quatre-vingt-dix. Et ils sont basés sur la réplication et le moulage d’un matériau, un élastomère transparent appelé Polymethyl Sloane, ou les biologistes du PDMS le connaissent sous son nom de marque est S Guard 180 4 fabriqué par do Corning.

Et c’est essentiellement du caoutchouc transparent est un, c’est un appareil. Vous pouvez le plier et c’est, comme je l’ai dit, il peut être moulé, il peut être à plusieurs reprises à partir d’un même moule avec ce qui est coûteux à fabriquer, c’est le moule. Et, sauf le, le matériel, nous l’achetons au seau.

C’est, c’est, vous savez, ce n’est pas très cher. Ensuite, il est également très biocompatible. C’est, vous pouvez même ensemencer des cellules dessus, dessus.

Il est utilisé dans les implants. Et aussi un grand avantage est qu’il est transparent et c’est très, très important pour une microscopie biologique, qui, comme vous le savez, est une méthode d’analyse très importante dans les études biologiques. Et la procédure de moulage, comme vous pouvez le voir dans les vidéos du laboratoire, est très, très facile, très directe.

Il s’agit simplement de mélanger deux composants. Et vous savez, n’importe qui peut le faire. C’est comme si vous le cuisiniez et le mettiez au four.

Même mon fils, qui a quatre ans, est venu au laboratoire et a fabriqué du caoutchouc. Et donc c’est vraiment simple. La microfluidique est l’étude du comportement des fluides.

Dans, dans les petits canaux, comme vous le savez, vous ne pouvez pas jeter une pierre sous l’eau. C’est parce que vous, les, les forces, les, les forces de friction entre la pierre et l’eau sont très grandes par rapport à la force que vous lui transmettez. Quelque chose d’un peu similaire se produit dans un petit canal où la, pour le, la, la situation est à l’envers.

L’eau est l’objet qui se déplace et les murs qui l’entourent sont des frictions qui leur confèrent beaucoup de friction en raison du rapport surface/volume élevé dans, dans les microcanaux, les murs ont un effet très fort. Et donc ces forces d’inertie sont très faibles par rapport aux forces visqueuses et au frottement causés par les parois. Donc, parce que les forces visqueuses dominent, la turbulence ne se produit jamais dans, dans les microcanaux, donc ce que nous avons est un régime d’écoulement connu sous le nom d’écoulement laminaire parce que le fluide s’écoule dedans, en feuilles.

Et un exemple est montré ici où différents cours d’eau ne peuvent pas se mélanger parce qu’ils coulent côte à côte. Il n’y a pas de turbulence qui accélère le mélange comme cela se produit lorsque vous dirigez une tasse de café. Maintenant, parce que les forces visqueuses dominent et qu’il est très difficile d’avoir des turbulences dans le microcanal, cela signifie que deux flux qui fusionnent en un seul canal ne se mélangeront pas, donc ne se mélangeront que par diffusion très lentement.

Maintenant, nous tirons parti de cette propriété pour exposer différentes parties d’une population cellulaire ou même une seule cellule à différents fluides. Et la raison pour laquelle nous le faisons, c’est parce que c’est ainsi que cela se passe in vivo. À l’intérieur de l’organisme, les cellules sont exposées à des gradients de substances et souvent de manière très transitoire.

Donc, parce que nous savons exactement que nous pouvons même modéliser le comportement des fluides dans la, la, la diffusion des différentes substances dans le flux de fluides, nous savons quelle constante, quels inconvénients, à quelle concentration la cellule est exposée et quelle partie de la cellule est exposée à quelle concentration. Cela nous permet donc de faire des études très quantitatives sur l’exposition des cellules à une substance particulière. À titre d’exemple de la façon dont le flux laminaire peut être utilisé pour étudier les cellules, nous avons un projet en laboratoire, que nous essayons en fait, où nous tirons une cellule musculaire dans l’impression qu’elle est initiée par un neurone.

Donc, au cours du développement, ce qui se passe, c’est que le nerf arrive à un moment donné au muscle et qu’il sécrète une substance appelée arin qui est impliquée dans la naissance de la synapse. Et donc, ce que nous faisons est quelque chose de très simple, sur le plan conceptuel. Nous mettons des cellules musculaires dans un appareil et nous l’exposons à un flux qui ne contient rin qu’au centre de la partie centrale du flux.

Cela nous permet donc de prétendre que l’appareil est le nerf et que les cellules musculaires qui se trouvent dans l’appareil sont le véritable muscle pendant le développement. Un autre exemple où la microfluidique est très puissante est l’étude du guidage axonal. Ici, l’idée est d’utiliser le fait que nous savons, nous pouvons très bien prédire comment le fluide est diffusé dans un, dans, en petits volumes pour produire des gradients de substances.

Et au cours du développement, les gradients sont responsables, en partie responsables de la façon dont les cellules nerveuses trouvent leurs cibles. Nous essayons donc de reproduire cela à l’intérieur d’une boîte de Pétri. À l’intérieur d’un microcanal, l’odorat est un système de capteurs fascinant.

Les neurones du nez, disons des souris, n’expriment chacun qu’un seul type de récepteur olfactif. Il y a environ un millier de gènes de récepteurs olfactifs différents chez m chez la souris. Et chaque récepteur se lie à une gamme d’odorants et chaque odin se lie à plusieurs récepteurs.

Et pour que nous croyions que la façon dont nous détectons les odeurs est, d’une manière combinatoire, la recherche traditionnelle entre factions, il est difficile de trouver des correspondances entre un grand nombre d’odorants et un récepteur donné ou n’importe quel odorant et un grand nombre de récepteurs. Et c’est parce qu’il est très difficile d’exposer un neurone ou un neurone sensoriel à une gamme d’odorants et, et vice versa, étant donné qu’il est très difficile d’exposer tous les neurones de l’épithélium olfactif. Notre approche a donc consisté à prendre l’épithélium olfactif et à le découper en cellules dissociées en cellules uniques et à les placer sur un, sur un réseau dans un grand réseau de micro-puits, une cellule par micro.

Eh bien, et dans un champ de vision, nous avons généralement des dizaines de milliers de neurones que nous imaginons avec l’imagerie calcique et nous regardons les modèles d’activation de ces neurones, de cette grande quantité de neurones aux odorants et aux groupes de substances appauvrissantes. Et cela nous permet d’être sûrs que pour n’importe quelle odeur donnée et que nous choisissons, nous examinons l’ensemble de l’espace des récepteurs olfactifs. Il y a, vous savez, au moins un ou quelques récepteurs représentés sur ce réseau.

Et de cette façon, nous savons que nous pouvons poser des questions telles que, vous savez, combien de cellules qui sentent la banane sentent aussi le citron, par exemple. Ces techniques de microfluides et de micro-motifs sont en fait assez simples et la raison pour laquelle elles n’ont pas été adoptées plus largement par la biologie cellulaire, je crois que c’est à cause d’une différence culturelle entre les ingénieurs et les biologistes. Les biologistes sont généralement un peu réticents, voire allergiques, aux nouvelles technologies et les ingénieurs ne sont généralement pas très compétents en biologie cellulaire ou en biologie en général.

Et ce qu’on verra, je crois, dans un avenir proche, ce sont des biologistes qui eux-mêmes n’auront pas besoin de frapper à la, à la, à la porte de quelqu’un comme moi. Ils seront en mesure de concevoir un appareil simple et de l’amener dans une fonderie comme une fonderie d’aluminium et ils seront renvoyés par FedEx dans un jour ou deux et il leur sera très facile de mettre en œuvre l’expérience eux-mêmes.