En appliquant la microfluidique à l'électrophysiologie

Je m'appelle Dave Edington. Je suis professeur adjoint au Département de génie biomédical de l'Université de l'Illinois à Chicago. Notre domaine de recherche principal consiste à appliquer les microtechnologies aux applications biomédicales, en utilisant notamment des dispositifs microfluidiques.

Aujourd'hui, nous allons vous présenter l'un de nos projets, qui consiste à utiliser un dispositif microfluidique adapté à une chambre de perfusion standard pour tranches cérébrales, permettant une stimulation spatiotemporelle d'une tranche de cerveau. Actuellement, dans les préparations de tranches en électrophysiologie, les principales méthodes d'application de neurotransmetteurs sur une tranche consistent soit à les diffuser de manière globale sur toute la tranche cérébrale, c'est-à-dire à stimuler l'ensemble de la tranche cérébrale en même temps, soit à utiliser une micropipette pour appliquer des bouffées de neurotransmetteurs à différents moments.

La coupe de cerveau est une structure très complexe, et lorsque vous appliquez globalement des neurotransmetteurs ou que vous utilisez une micropipette, vous ne pouvez pas reproduire les schémas de stimulation in vivo. En revanche, avec notre plateforme, nous sommes capables de contrôler la stimulation de régions très spécifiques à travers la coupe cérébrale et d'obtenir une stimulation plus proche de l'in vivo. Les systèmes de perfusion actuels sont illustrés ici, montrant leur accouplement à une lame de verre standard.

Et ceux-ci permettent une perfusion du milieu sur toute la tranche. Toutefois, vous ne pouvez pas contrôler spatialement la résolution du neurotransmetteur avec votre dispositif de stimulation. Nous avons donc mis au point un dispositif microflic qui s'emboîte dans cette chambre de perfusion standard.

Ainsi, tous les tests d'électrophysiologie standards peuvent être utilisés. La seule différence réside dans le fait que, plutôt qu'un fond en verre recouvert d'une lame de verre, celui-ci est constitué d'un dispositif A-P-D-M-S comportant plusieurs trous traversants reliés à des canaux microfluidiques, qui eux-mêmes se connectent à des orifices situés dans la chambre de perfusion supérieure, permettant ainsi de stimuler les neurotransmetteurs à travers ces trous, via les canaux, à travers les vias, et dans la tranche de cerveau. Nous utilisons une technique appelée pompage passif pour acheminer les fluides.

Ainsi, nous n'avons pas besoin de tubulures complexes sortant de ce dispositif, car l'électrophysiologie est déjà une procédure très complexe. En simplifiant la conception du dispositif et en utilisant un pompage passif, nous simplifions le protocole expérimental d'utilisation de ce dispositif microfluidique. La structure du dispositif est un réseau microfluidique à deux couches.

La première couche est constituée des canaux de routage qui se connectent aux orifices de sortie, et la seconde couche est formée de ces trous traversants qui relient ces canaux à la cavité. Cette fabrication est réalisée à l’aide d’étapes standard de microfabrication U à deux couches, où des repères d’alignement assurent que ces vias sont positionnés exactement au centre de ces quatre canaux. Ce dispositif est conçu pour s’emboîter avec une chambre de perfusion standard, de sorte que tous les mêmes tests d’électrophysiologie peuvent être utilisés.

Nous pouvons donc installer ceci sur un dispositif d'électrophysiologie, faire entrer notre objectif, fournir une stimulation locale via nos canaux microfluidiques, et éviter de compliquer inutilement le montage expérimental au-delà de ce qui est nécessaire. En gardant la conception du dispositif aussi simple que possible, nous pouvons diffuser cette plateforme bien plus facilement. Notre structure actuelle comporte ces quatre V au centre de nos canaux microfluidiques, mais ceux-ci peuvent être adaptés selon les besoins spécifiques de différents laboratoires, en fonction de la région du cerveau qu'ils étudient.

Ainsi, une région pourrait étudier l'hippocampe et une autre le cortex externe. Nous pouvons donc stimuler ces régions selon la conception de ce dispositif microfluidique. Et comme le dispositif ne nécessite aucun composant externe pour fonctionner, tout ce dont vous avez besoin est une micropipette pour pipeter sur ces ouvertures en utilisant la technique de pompage passif.

Il n’existe aucun équipement supplémentaire, au-delà de ce substrat inférieur, que le laboratoire d’électrophysiologie standard doive acquérir pour utiliser ce dispositif. Jusqu’à présent dans le projet, nous nous sommes concentrés sur le positionnement des canaux microfluidiques par rapport aux chambres de perfusion standard. Et maintenant, la prochaine étape du projet consiste à tester effectivement ce dispositif dans le cadre d’une recherche fondée sur des hypothèses, en utilisant ces préparations de tranches.

Ainsi, nous avons démontré qu'en utilisant un colorant fluorescent, nous pouvons stimuler spatialement différentes régions en injectant ces analogues fluorescents dans les canaux. L'étape suivante consiste à réaliser effectivement les véritables expériences biologiques. Le domaine de la microfluidique arrive donc à un point de transition.

Nous dépassons désormais les simples démonstrations de principe novatrices pour utiliser réellement ces dispositifs afin de découvrir des phénomènes nouveaux et passionnants, auparavant impossibles à réaliser. Le domaine évolue donc vers des techniques exploitant des principes accessibles à l'échelle microscopique, tels que la diffusion rapide, l'écoulement laminaire, les grands rapports surface sur volume et l'intégration de procédés. Désormais, nous allons utiliser ces principes et les appliquer pour répondre à des besoins insatisfaits en laboratoire et en milieu clinique.