Utiliser Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) pour développer des outils diagnostiques

Je suis U De Mercy, je suis le chercheur principal des Bio Stick MAMs au sein des laboratoires Medicine Labs. J'ai effectué mon doctorat à l'université Stanford en génie électrique. J'ai réalisé un postdoctorat à la Harvard Medical School au MGH, travaillant sur les MAMs bio-acoustiques ou principalement sur les MAs bio.

Et maintenant, je poursuis mon activité en tant que membre du corps professoral à la Harvard Medical School, au sein des départements Harvard-MIT de sciences et technologies de la santé. Je continue également mes recherches, que j'apprécie beaucoup. Les travaux que j'ai réalisés durant mon doctorat étaient étroitement liés aux gouttelettes et à l'utilisation de l'acoustique pour générer des gouttelettes de taille précise et en contrôler la localisation et la position afin de déposer des polymères très sensibles.

Nous appliquons désormais des technologies similaires pour encapsuler des cellules dans des gouttelettes, puis les positionner sur des surfaces en vue de diverses applications en ingénierie tissulaire, telles que l’impression de cellules afin de former des motifs cellulaires. De plus, certaines applications nécessitent d’observer la possibilité d’encapsuler quelques cellules, voire une cellule unique, appartenant à une même population, afin d’étudier les différences entre les cellules de cette population. Dans ce contexte, la capacité d’encapsuler des cellules dans des gouttelettes à haut débit, de l’ordre de 10 000 cellules par seconde, devient très importante et particulièrement utile pour comprendre des problèmes biologiques. Ainsi, mes travaux de recherche reposent actuellement, pour ainsi dire, sur deux axes principaux.

L'un est ce travail d'encapsulation cellulaire dont je viens de parler. Comment emballer une cellule dans une goutte, et comment réaliser cela de façon répétée, fiable et sans endommager les cellules ? Ainsi, après que la cellule a été éjectée ou encapsulée dans la goutte, nous devrions être capables de la localiser précisément sur une surface, la cellule devant être fonctionnelle, vivante et viable.

Il ne devrait pas être endommagé par les effets de l'éjection et autres phénomènes. Actuellement, nous disposons d'un système utilisant des ondes acoustiques focalisées pour générer ces gouttelettes à partir de réservoirs ouverts, permettant d'encapsuler jusqu'à une seule cellule dans des gouttelettes très petites, comparables à la taille des cellules. Cela est très prometteur en ce qui concerne l'application de cette technique à l'impression de cellules et au génie tissulaire.

L'autre voie de mes recherches consiste à nouveau à utiliser les technologies des systèmes microélectromécaniques MAMs pour développer des outils diagnostiques peu coûteux. Cette recherche repose principalement sur des approches microfluidiques, qui permettent d'introduire du sang total, en très faibles volumes, comme celui obtenu par une piqûre au bout du doigt, inférieur à 10 microlitres, sur une puce. À partir de ce sang, nous pouvons encapsuler ou capturer certaines populations subcellulaires présentes dans le sang total.

Pourquoi est-ce important ? Pourquoi cela devrait-il être peu coûteux pour des applications en santé mondiale ? Au sommet d'une montagne en Afrique, vous devez pouvoir indiquer, par exemple pour un patient atteint du VIH, le nombre de lymphocytes T CD4 que possède ce patient. En effet, l'Organisation mondiale de la santé indique qu'en dessous de 200 cellules CD4 par microlitre, il faut commencer le traitement des patients. Dans les pays développés, on utilise des cytomètres en flux vert coûteant des centaines de milliers de dollars pour obtenir ces données.

Et cela prend bien sûr du temps et nécessite une certaine habileté pour pouvoir utiliser ces appareils de grande taille. Notre petit puces peut recevoir, sous la forme d'un petit prélèvement au bout du doigt, 10 microlitres de sang total, et capturer les cellules CD4 à l'aide des affinités des protéines de surface. Ensuite, vous pouvez dénombrer rapidement ces cellules capturées, puisque vous savez qu'il s'agit de cellules CD4 qui se sont fixées aux anticorps anti-CD4 présents à la surface de la puce.

En contrôlant les débits et la contrainte de cisaillement, vous pouvez optimiser la spécificité et l'efficacité pour ces types cellulaires. Et il existe bien sûr toujours une liaison non spécifique, mais grâce à nos approches par cisaillement, nous minimisons ces effets et nous assurons une marge d'erreur comprise entre ± 10 %, ce qui est suffisant pour prendre une décision diagnostique ou pronostique au sommet d'une montagne en Afrique. Cette méthode présente donc des applications intéressantes pour la santé mondiale, et ces techniques à faible coût, jetables, peuvent également avoir un impact dans les pays développés, car désormais, ces tests sanguins rapides et très peu coûteux peuvent influencer les tests utilisés dans les pays développés.

Si elles sont optimisées à des niveaux plus élevés d'efficacité et de spécificité, ce que nos données initiales montrent qu'elles peuvent l'être, cela aura certainement un impact sur notre vie quotidienne. Lorsque j'ai terminé mon doctorat, je connaissais mieux la microfluidique et, dans les MAMs, plus que tout autre domaine, je voyais, notamment avec l'application aux gouttelettes, que si je pouvais imprimer des cellules, les encapsuler ou manipuler quelques cellules, voire des cellules uniques, cela aurait de nombreuses applications dans le domaine de la biotechnologie. J'étais très intéressé par le travail sur des sujets qui auraient réellement un impact sur la vie des gens.

J'appliquais auparavant ces technologies à l'industrie des semi-conducteurs, mais ensuite j'ai souhaité être utile directement aux personnes. C'est donc cela qui m'a orienté vers des problèmes liés aux soins de santé. Et c'est pour cette raison que j'ai opéré un grand changement et que je suis venu effectuer un postdoctorat à l'hôpital général de Boston.

Et là, vous savez, j'ai été de plus en plus exposé aux problèmes, et il apparaît clairement qu'un des plus grands problèmes mondiaux actuels est la santé mondiale, avec des maladies comme la tuberculose et le VIH, qui tuent des milliers de personnes par jour. Et ces personnes meurent non pas parce que les médicaments n'existent pas, mais parce qu'il n'existe pas suffisamment d'outils de diagnostic, dont le coût est bien plus élevé que celui des traitements disponibles. Je connais donc très bien l'aspect technologique des choses.

J'ai été confronté aux problèmes biologiques, et plus j'en apprenais sur ces sujets, plus je me rendais compte que je pouvais avoir un impact. C'est ainsi que tout a commencé à se développer, et cela continue encore aujourd'hui.

Comme je l'ai observé, dans le domaine de la biotechnologie et de la médecine, il existe tellement de problèmes qui entraînent directement la perte de vies humaines, et l'aspect technologique, ainsi que la capacité de l'appliquer à des problèmes médicaux concrets, me semble être une voie très prometteuse à suivre. C'est ainsi que, selon moi, tout ce domaine de la biotechnologie est en pleine croissance et devient très influent. Si l'on y réfléchit, le VIH, le cancer, ce sont des maladies responsables de nombreux décès dans le monde.

Et les microtechnologies actuelles, les approches actuelles pourraient peut-être bénéficier d'une détection précoce du cancer en capturant ces cellules à partir du sang ou en rendant le procédé vraiment peu coûteux, ce qui le rendrait accessible à la population. Toutes ces avancées combinées, je pense que l'ensemble des applications des microtechnologies dans le domaine de la santé et de la médecine pourrait influencer l'avenir de l'humanité. C'est ainsi, je suppose, que toutes ces avancées s'articulent ensemble.

Et le fait de se trouver au sein des sciences de la santé et de la technologie de Harvard et du MIT, où, à une extrémité, vous avez la technologie et, à l’autre, l’aspect direct, l’accès direct aux patients et aux médecins du Brigham and Women's Hospital, où je travaille, constitue un environnement exceptionnel. En effet, chaque personne à qui vous parlez a ses propres problèmes, et, selon votre formation initiale, vous pourriez proposer des solutions intéressantes à ces problèmes concrets existants. C’est ainsi, je pense, que je perçois l’ensemble de la perspective selon laquelle ces problèmes médicaux rencontrent le versant technologique.

Et nous essayons d'avoir un impact positif sur la vie des gens. Dans l'encapsulation de cellules uniques ou l'encapsulation cellulaire, le défi majeur consiste à pouvoir encapsuler de manière fiable et reproductible des cellules individuelles. Ainsi, vous éjectez 10 000 cent mille cellules par seconde.

Et comment vous assurez-vous que chaque gouttelette éjectée contient une seule cellule ? Il s'agit d'un problème de statistiques dans lequel on modifie la taille des gouttelettes et l'on minimise, voire optimise, la taille des cellules par rapport à celle des gouttelettes, ce qui renvoie au problème classique de l'empilement de sphères dans un volume et à la manière la plus efficace de le réaliser. C'est donc le défi le plus important dans le domaine de l'impression cellulaire du point de vue technologique.

L'autre aspect concerne désormais la possibilité de dire imprimer et de localiser précisément ces cellules. Comment peut-on générer ces tissus tridimensionnels, comment peut-on les maintenir vivants et comment peut-on les transplanter ? C'est là qu'interviennent les problèmes d'ordre biologique, où l'on cherche désormais à imiter exactement le tissu.

Nous disposons actuellement de méthodes permettant d’imprimer un ilôt, un ilôt pancréatique, et d’utiliser des cellules musculaires lisses pour imprimer un tissu vésical, en imitant directement ce qui existe dans la vessie humaine ou la vessie rouge, afin de pouvoir fabriquer ce tissu et évaluer ses performances par rapport aux tissus natifs existants dans la réalité. C’est donc là le défi majeur, je suppose : en utilisant ces technologies innovantes, comment peut-on créer le tissu idéal, susceptible d’être remplacé ou transplanté ? C’est, vous savez, le problème le plus important depuis le départ, car le contrôle au niveau de la cellule unique vous confère la capacité de les positionner avec précision. Ensuite, comment fait-on pour le faire croître à partir de ce stade ?

Il s'agit donc d'un élément transplantable là où se manifeste l'impact sur la vie humaine. À cet égard, les défis posés par l'ingénierie tissulaire, l'encapsulation et les diagnostics utilisant la microfluidique consistent à être capable d'isoler une cellule parmi des milliards de cellules. C'est comme si vous aviez une particule de sucre dans un récipient de sel et que vous tentiez de retirer cette particule de sucre, ce qui équivaut à une chance sur un milliard.

Ainsi, vous traitez des microlitres à des millilitres de sang total et vous souhaitez pouvoir, de manière spécifique et efficace, sans aucun problème technologique tel qu’un colmatage ni aucun problème biologique comme une liaison non spécifique, isoler une cellule parmi un milliard de cellules dans un microlitre de sang total, soit quelques millions de cellules. Et dans le cas des lymphocytes T CD4 dans ce microlitre, nous recherchons environ mille cellules par microlitre. Il s’agit donc d’un problème du type une cellule sur mille, que nous avons démontré réalisable.

Mais lorsque vous souhaitez cibler les cellules tumorales circulantes dans le cancer, la difficulté devient alors d'une sur un milliard. Pour résumer, le défi consiste à savoir comment capturer cette unique cellule parmi des milliards d'autres cellules environnantes ? Et quels sont les aspects technologiques ?

Quels sont les débits ? Quelle est la conception du dispositif ? Quoi, quels sont les débits ?

Quels sont les volumes de sang à traiter et comment s'assure-t-on que les cellules capturées sont bien celles que l'on souhaitait isoler ? Tous ces aspects ont constitué un défi global, résumable en une seule question : comment capturer cette unique cellule rare parmi des milliards d'autres ? Il s'agit véritablement d'un problème du type « trouver une aiguille dans une botte de foin », ce qui est passionnant.

Et je pense que faire progresser les technologies afin de résoudre ces problèmes constitue le défi technologique actuel. Être capable de les amener à un niveau où elles accomplissent la tâche pour laquelle elles sont conçues est une chose. Ensuite, les transférer vers le milieu clinique et en faire un produit implique des compétences complètement différentes, telles que la capacité à créer une entreprise, à breveter ces innovations, et tous ces autres aspects entrent alors en jeu.

Et je pense que nous, scientifiques, ne possédons pas tous ces compétences nécessaires pour transformer les produits du bureau en produits finaux. C'est là qu'intervient à nouveau l'importance des collaborations avec des personnes issues de milieux différents. Et il existe de nombreuses technologies, que je crois très pertinentes et utiles.

Ils n'atteignent parfois pas la clinique ni l'usage pour l'humanité, soit parce que cela ne s'est tout simplement pas produit, n'était pas le bon moment, soit parce que d'autres facteurs dont je viens de parler sont intervenus. Ou bien, parfois, il n'existe pas de lien direct évident permettant de voir que la technologie pourrait effectivement résoudre ce problème. Et la personne qui gère le problème, ou disons les biologistes ou les professionnels de la médecine, ont l'habitude de procéder d'une certaine manière depuis de nombreuses années.

Et les personnes du côté de la technologie, surtout si vous n'avez pas une orientation en biotechnologie, ne sont pas conscientes des problèmes en médecine. Réunir ces deux domaines constitue donc une recherche interdisciplinaire sérieuse. Je pense que, ces dernières années, l'accent mis à la fois au niveau des NIH et dans les laboratoires de recherche et les universités vise à favoriser la recherche interdisciplinaire.

Ainsi, les gens finissent par obtenir un doctorat exigeant la maîtrise de plusieurs domaines. Par exemple, pour mon doctorat, je devais connaître l'acoustique, les MEMS, la microfluidique, et j'ai dû appliquer ces connaissances aux polymères. On constate donc une expertise très approfondie dans un domaine particulier, pour lequel il était en réalité nécessaire de bien maîtriser trois autres domaines afin de pouvoir résoudre le problème posé.

Je pense donc que la réponse réside dans la recherche interdisciplinaire combinée à des personnes possédant des compétences commerciales afin de rendre cela accessible à la population ; c'est un processus global comportant certaines inefficacités qui apparaissent à certains endroits, ce qui explique le faible taux de transfert technologique.