Name: BioMEMS et biologie cellulaire: perspectives et applications (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Découvrez les applications de la microfluidique en neurosciences et biologie cellulaire grâce aux systèmes BioMEMS. Ces technologies permettent de simuler des environnements physiologiques réalistes pour étudier le comportement cellulaire in vitro.

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biomems et biologie cellulaire: perspectives et applications

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

La capacité de cellules en culture a révolutionné les tests d&#39;hypothèses dans la cellule de base et recherche en biologie moléculaire. Elle est devenue une méthode standard de dépistage des drogues, la toxicologie et des tests cliniques, et de plus en plus utilisés en médecine régénérative. Cependant, la méthodologie de cellules de la culture traditionnelle consistant essentiellement en l&#39;immersion d&#39;une importante population de cellules dans un milieu fluide homogène et sur un substrat homogène, plane de plus en plus de limiter la fois d&#39;un point de vue fondamental et pratique. Technologies de microfabrication ont permis aux chercheurs de concevoir, avec contrôle du micromètre, la composition biochimique et la topologie du substrat, et la composition du milieu, ainsi que le type de cellules voisines dans le microenvironnement cellulaire environnant. De plus, la microtechnique est conceptuellement bien adapté pour le développement de la vitesse et à faible coût dans les systèmes in vitro qui permettent à haut débit de culture et d&#39;analyse des cellules sous un grand nombre de conditions. Dans cette interview, Albert Folch explique ces limitations, comment ils peuvent être surmontés avec lithographie douce et de la microfluidique, et décrit quelques-uns des exemples pertinents de la recherche dans son laboratoire et ses orientations futures.

BioMEMS et biologie cellulaire: perspectives et applications

La capacité de culturer des cellules a révolutionné la vérification d'hypothèses dans la recherche fondamentale en biologie cellulaire et moléculaire. Elle est devenue une méthodologie standard dans...

Je suis Albert Falk. Je suis professeur à l'Université de Washington à Seattle, et je travaille dans le domaine vaste des biocapteurs, qui signifie systèmes microélectromécaniques biomédicaux. Nous travaillons sur la microfluidique et nous nous concentrons sur des applications en biologie cellulaire, principalement en neurosciences.Un des objectifs du laboratoire est de tenter de surmonter les limites de la technologie traditionnelle de culture cellulaire. Si vous observez la manière dont les biologistes cellulaires étudient les cellules in vitro, dans une boîte de Pétri, vous remarquerez immédiatement que les cellules baignent dans un milieu de culture homogène et qu’elles se trouvent également sur une surface homogène. Or, dans l’organisme, les cellules ne se situent pas sur une surface homogène.Ils ne baignent pas dans un milieu homogène. En réalité, ils sont exposés à une variété de signaux qui varient dans l'espace et dans le temps, souvent sous forme de gradients, et ils sont entourés par une matrice de type gel. Il existe également certaines limites pratiques lorsqu'on étudie des cellules dans une boîte de Pétri : il faut un incubateur, un équipement volumineux et coûteux.En général, les biologistes souhaitent étudier un ensemble de conditions différentes. Ils veulent observer des cellules, par exemple, dans une culture cellulaire A et une culture cellulaire B. Il existe une grande variabilité dans la réponse des cellules à ces composés. Ainsi, les biologistes placent généralement les cellules dans différentes boîtes de Pétri, parfois en triplicata, puis étudient une gamme de conditions, ce qui entraîne une utilisation importante de cultures cellulaires, de milieu, de fournitures et de boîtes, nécessitant ainsi beaucoup d'espace.Nous essayons donc de miniaturiser cela, et c'est un aspect de cette démarche. De plus, le remplacement du milieu, la mise en place des cellules et le changement du milieu de culture cellulaire nécessitent beaucoup de pipetage. Cela est très coûteux en termes de temps et de personnel requis, ainsi qu’en quantité de fluides devant être introduits et retirés de la boîte de Pétri.Une autre limitation est qu’afin de recouvrir toutes les surfaces de cellules, vous devez utiliser un grand nombre de cellules, ce qui nécessite souvent de sacrifier un grand nombre d’animaux. De plus, cela peut s’avérer coûteux simplement en raison du volume élevé des cellules requises. En résumé, les techniques traditionnelles s’avèrent très onéreuses.Ils sont très coûteux, tant en termes de temps que de personnel nécessaire pour les utiliser afin de mettre en œuvre une expérience, et également en ce qui concerne les rendements en pratique ; les biologistes finissent par réduire le nombre de surfaces ou de conditions étudiées. Cela conduit à des données statistiquement très faibles. Les conclusions d'une étude biologique typique sont très qualitatives selon les critères de l'ingénierie, de sorte que toutes ces études s'avèrent finalement non évolutives.Ainsi, cela devient un problème majeur aujourd'hui avec l'ère du génome, où les chercheurs souhaitent étudier un grand nombre de conditions, de nombreuses variables, et découvrir 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 microfabrication nous offrent donc plusieurs avantages que nous exploitons pour différentes raisons. Ces avantages sont d'abord fondamentaux, de la même manière que dans l'électronique microélectronique, les transistors fonctionnent mieux parce qu'ils sont plus petits.Ici également, nous disposons de dispositifs que nous concevons et qui accèdent à des échelles comparables à celles de l'objet étudié, à savoir les cellules. La technologie de microfabrication peut surmonter ces limitations, non pas d'une seule manière, mais de multiples façons à la fois. Elle permet d'analyser des cellules individuelles en très grand nombre.Cela vous permet donc d'obtenir immédiatement des conclusions très quantitatives. Cela vous permet également de réaliser des expériences peu coûteuses. De plus, ces systèmes sont très peu coûteux à fabriquer, dans le sens où vous pouvez produire de nombreux dispositifs pour le prix d'un seul.De plus, leur fonctionnement est peu coûteux car ils sont simples et très adaptables à l'automatisation. Alors, ces avantages liés au faible coût de fabrication et de fonctionnement se traduisent par des applications commerciales très réussies. Enfin, ces systèmes se prêtent également très bien à une conception quantitative.Ceci est très important, car de cette manière, nous pouvons modéliser le comportement, par exemple, d'un dispositif microfluidique ou de la fabrication d'une surface, et savoir exactement comment il fonctionnera. Ensuite, nous revenons en arrière ; cela est réalisé par modélisation. Nous ne nous rendons pas encore au laboratoire.Et ensuite, une fois que tout fonctionne en théorie, nous nous rendons au laboratoire pour mettre en œuvre la méthode, ce qui nous permet d'économiser beaucoup de temps. L'une des principales technologies que nous utilisons dans notre laboratoire s'appelle la lithographie douce, une famille de techniques apparentées développées par George Whiteside à Harvard depuis le début des années 1990. Ces techniques reposent sur la réplication et le moulage d'un matériau, un élastomère transparent appelé polydiméthylsiloxane, ou PDMS, que les biologistes connaissent sous son nom de marque Sylgard 184, fabriqué par Dow Corning.Et ce caoutchouc essentiellement transparent est un dispositif. Vous pouvez le plier, et comme je l'ai dit, il peut être moulé, on peut en produire plusieurs exemplaires à partir d'un même moule. Ce qui est coûteux à fabriquer, c'est le moule. Mais le matériau, nous l'achetons par seau.C'est, c'est, vous savez, ce n'est pas très coûteux. En outre, c'est très biocompatible. On peut même y semer des cellules, dessus.Il est utilisé dans les implants. Un autre avantage majeur est qu'il est transparent, ce qui est très, très important pour la microscopie biologique, une méthode d'analyse, comme vous le savez, essentielle dans les études biologiques. Et la procédure de moulage, comme vous pouvez le voir dans les vidéos du laboratoire, est très simple et très directe.Il suffit de mélanger deux composants. Et vous savez, n'importe qui peut le faire. C'est un peu comme cuisiner et mettre au four.Même mon fils, qui a quatre ans, est venu au laboratoire et a effectivement fabriqué du caoutchouc. C’est donc vraiment simple. La microfluidique est l’étude du comportement des fluides.Dans les petits canaux, comme vous le savez, on ne peut pas lancer une pierre sous l'eau. Cela s'explique par le fait que les forces de frottement entre la pierre et l'eau sont très importantes par rapport à la force que vous lui appliquez. Un phénomène un peu similaire se produit dans un petit canal, où la situation est inversée.L'eau est le fluide en mouvement, et les parois qui l'entourent exercent une grande friction sur celui-ci en raison du rapport élevé entre la surface et le volume dans les microcanaux, ce qui confère aux parois un effet très important. Ainsi, les forces d'inertie sont très faibles par rapport aux forces visqueuses et au frottement provoqué par les parois. Puisque les forces visqueuses prédominent, la turbulence ne se produit jamais dans les microcanaux ; nous nous trouvons donc dans un régime d'écoulement appelé écoulement laminaire, car le fluide s'écoule en couches.Et un exemple est montré ici où différents flux ne parviennent pas à se mélanger car ils s'écoulent côte à côte. Il n'y a aucune turbulence pour accélérer le mélange, contrairement à ce qui se produit lorsque vous remuez une tasse de café. Puisque les forces visqueuses dominent et qu'il est très difficile d'obtenir de la turbulence dans un microcanal, cela signifie que deux flux qui se rejoignent dans un même canal ne se mélangeront pas, mais ne se mélangeront que très lentement par diffusion.Nous tirons maintenant parti de cette propriété pour exposer différentes parties d'une population cellulaire, voire d'une cellule unique, à des fluides différents. La raison pour laquelle nous procédons ainsi est que c'est précisément ce qui se produit in vivo. Dans l'organisme, les cellules sont exposées à des gradients de substances, souvent de manière très transitoire.Ainsi, comme nous savons modéliser précisément le comportement des fluides, ainsi que la diffusion des différentes substances dans le flux de fluide, nous connaissons exactement quelle constante, quelle concentration la cellule est exposée et quelle partie de la cellule est soumise à quelle concentration. Cela nous permet d'effectuer des études très quantitatives sur l'exposition des cellules à une substance particulière. À titre d'exemple de l'utilisation de l'écoulement laminaire pour l'étude des cellules, nous menons un projet en laboratoire où nous essayons précisément de faire croire à une cellule musculaire qu'elle est innervée par un neurone.Ainsi, pendant le développement, ce qui se produit est que le nerf arrive à un moment donné au niveau du muscle et sécrète une substance appelée arin, qui est impliquée dans la formation de la synapse. Ce que nous faisons est donc quelque chose de conceptuellement très simple. Nous plaçons des cellules musculaires dans un dispositif et nous les exposons à un flux contenant rin uniquement dans la partie centrale du flux.Cela nous permet de simuler le fait que le dispositif représente le nerf et que les cellules musculaires présentes dans le dispositif correspondent au muscle réel pendant le développement. Un autre exemple où la microfluidique s'avère très puissante concerne l'étude de l'orientation des axones. Ici, l'idée consiste à exploiter le fait que nous savons prédire très précisément la manière dont un fluide se diffuse dans de petits volumes afin de produire des gradients de substances.Et pendant le développement, les gradients sont responsables, en partie, de la manière dont les cellules nerveuses trouvent leurs cibles. Nous essayons donc de reproduire cela dans une boîte de Pétri. Dans un microcanal, le sens de l'odorat constitue un système sensoriel fascinant.Les neurones du nez, disons chez la souris, expriment chacun un seul type de récepteur olfactif. Il existe environ mille gènes différents de récepteurs olfactifs chez la souris. Chaque récepteur se lie à une gamme d'odeurs et chaque odeur se lie à plusieurs récepteurs.Ainsi, nous pensons que notre détection des odeurs fonctionne de manière combinatoire. La recherche traditionnelle sur les récepteurs peine à établir des correspondances entre un grand nombre de molécules odorantes et un récepteur donné, ou entre une molécule odorante et un grand nombre de récepteurs. Cela s'explique par la difficulté d'exposer un neurone sensoriel ou un neurone donné à une variété d'odeurs, et inversement, par la difficulté d'exposer toutes les cellules de l'épithélium olfactif à une odeur particulière. Notre approche consiste donc à prélever l'épithélium olfactif, à le dissocier en cellules individuelles, puis à les placer sur un réseau constitué d'un grand micro-réseau de micro-puits, avec une cellule par micro-puit.Eh bien, et dans un champ de vision, nous avons généralement des dizaines de milliers de neurones que nous imagerons par imagerie calcique, et nous examinons les schémas d'activation de ces neurones, de ce grand nombre de neurones, en réponse à des odorants et à des groupes d'odeurs. Cela nous permet d'être certains que, pour tout odorant donné que nous choisissons, nous observons l'espace complet des récepteurs olfactifs. Il y a, vous savez, au moins un ou quelques récepteurs qui sont représentés sur ce réseau.Ainsi, nous savons que nous pouvons poser des questions telles que, par exemple, combien des cellules qui perçoivent l'odeur de banane perçoivent également celle de citron. Ces techniques de microfluidique et de microstructuration sont en réalité assez simples, et la raison pour laquelle elles n'ont pas été plus largement adoptées en biologie cellulaire, selon moi, tient à une différence culturelle entre ingénieurs et biologistes. Les biologistes sont généralement un peu réticents, voire allergiques, aux nouvelles technologies, tandis que les ingénieurs ne maîtrisent habituellement pas très bien la biologie cellulaire ou la biologie en général.Et ce que nous verrons, je crois, dans un avenir proche, c'est que les biologistes n'auront plus besoin de frapper à la porte de quelqu'un comme moi. Ils pourront concevoir un dispositif simple, emmener leur conception dans une fonderie, une fonderie comme alu foundry, et recevoir par FedEx le dispositif en un jour ou deux, ce qui leur permettra très facilement de réaliser eux-mêmes leur expérience.

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