BioMEMS: Forger de nouvelles collaborations entre biologistes et des ingénieurs
1 novembre 2007
Je m'appelle Newly John et je travaille au Département de génie biomédical de l'Université de Californie à Irvine. Mes recherches portent sur le développement de nouveaux dispositifs biomédicaux et de dispositifs microfluidiques destinés aux études en neurosciences et en biologie des cellules souches. La bio-ingénierie et la microfluidique constituent une discipline relativement récente, apparue il y a environ cinq à dix ans, qui s'appuie largement sur les techniques et expertises issues de l'industrie des circuits intégrés.
Ce que nous faisons consiste donc à utiliser les méthodes et approches de miniaturisation développées pour les circuits intégrés afin de fabriquer de petits dispositifs comportant de fins canaux et des réservoirs, et à les utiliser pour des applications en biologie cellulaire. Traditionnellement, la plupart des expériences biologiques ont été réalisées à l'échelle de la boîte de Pétri. Ainsi, pour les cellules, lorsqu'on observe une cellule d'environ 10 micromètres de diamètre, on a essentiellement une petite cellule immergée dans un grand volume de liquide.
Grâce à des dispositifs microfluidiques, nous pouvons contrôler les environnements entourant la cellule. La communication entre cellules, ainsi que l'influence des facteurs solubles sur la cellule, peuvent être étudiées avec une bien plus grande précision qu'en réalisant simplement l'expérience à plus grande échelle dans une boîte de Pétri. Ainsi, ces nouveaux développements en microfluidique offrent de grandes perspectives en matière de contrôle et de reproductibilité par rapport aux méthodes conventionnelles.
Notre recherche sur l'utilisation de dispositifs microfluidiques pour l'étude de la migration cellulaire consiste à développer de nouveaux dispositifs capables de maintenir un gradient stable de facteurs solubles autour des cellules, afin d'analyser comment celles-ci réagissent à différents facteurs de croissance ou chimiotactismes. Cela nécessite un contrôle précis de l'écoulement des fluides autour d'un groupe de cellules, ce qui est crucial et fondamental dans de nombreux processus biologiques tels que la morphogenèse, la métastase cancéreuse et la réponse des cellules immunitaires. À l'instar des dispositifs microfluidiques permettant la génération de gradients, les dispositifs destinés à la culture de neurones, et en particulier des com neurones, constituent un développement récent dans le domaine de la microfluidique.
Avec ces dispositifs, nous sommes en mesure d'isoler et de purifier des fractions axonales, ainsi que d'obtenir des structures très polarisées. Dans ce cas, par rapport à des tests classiques tels que les compartiments à vide et les chambres, où il était très, parfois difficile d'éviter les fuites et d'autres difficultés expérimentales, les dispositifs microfluidiques offrent des résultats globalement plus reproductibles et fournissent en même temps une plateforme optiquement compatible qui nous permet d'effectuer une microscopie à haute résolution.
Cet appareil est utilisé pour réaliser des expériences visant à étudier le transport axonal. Grâce à ce nouveau dispositif de culture neuronale microfluidique, de nombreux collaborateurs répartis dans tout le pays étudient divers modèles de maladies neurodégénératives, tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la SLA. J'ai eu la chance de bénéficier d'excellents collaborateurs au sein des départements de neurosciences et d'anatomie pathologique de l'université de Californie à Irvine. Je collabore étroitement avec les laboratoires de Car Kaman Stewart, Ed Monki et Lisa Flanagan.
Nos collaborations impliquent des réunions régulières visant à identifier les problèmes auxquels les biologistes sont confrontés. Lors de ces réunions régulières, nous constatons que, bien que des outils classiques soient disponibles, il existe encore de nombreux domaines d'application dans lesquels nous, ingénieurs biomédicaux, pouvons jouer un rôle important pour améliorer et approfondir la recherche biomédicale. Par exemple, notre collaboration avec le laboratoire du Dr Monki et du Dr Flanagan au cours des cinq dernières années s'est avérée très fructueuse.
Tout d'abord, nos étudiants peuvent apprendre à collaborer étroitement, en groupe et entre différentes disciplines scientifiques. Parallèlement, nous avons eu la chance d'aborder des problèmes en biologie des cellules souches. Par exemple, la culture et la différenciation de cellules souches dans des dispositifs microfluidiques a offert une nouvelle perspective sur le comportement des cellules souches dans un gradient d'un morphogène tel que la BMP.
Et je pense que ce type de collaboration constituera une partie importante de la science future, alors que de plus en plus d'ingénieurs s'intéressent à la recherche biomédicale. En même temps que les besoins en nouveaux outils aux capacités innovantes dans les domaines des neurosciences et des autres biosciences augmentent, je m'attends à ce qu'il y ait de nombreuses collaborations fructueuses qui feront véritablement progresser le domaine de la recherche biomédicale. Par ailleurs, je pense que le domaine de la microfluidique et des microbiotes connaît une phase passionnante.
Il existe de nombreuses nouvelles applications qui sont développées pratiquement chaque jour. J'anticipe qu'en cinq ans, un nombre bien plus élevé de biologistes utiliseront ce type d'appareils pour leurs recherches quotidiennes, pour des expériences de routine, pour l'étude de la migration cellulaire ou d'autres objectifs spécifiques. Étant donné que ces dispositifs offrent de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles basées sur les cultures en boîte de Petri, je pense que l'imagination constitue la seule limite au développement de nouveaux types d'applications.
Et moi, je crois qu'une étroite collaboration avec les biologistes aboutira à de nouveaux types de dispositifs, qui joueront un rôle important dans les progrès futurs de la recherche biomédicale.
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Aperçu
John, de l'Université de Californie à Irvine, présente ses recherches sur le développement de nouveaux dispositifs biomédicaux et microfluidiques destinés aux études en neurosciences et en biologie des cellules souches. Ce domaine émergent s'appuie sur des techniques provenant de l'industrie des circuits intégrés afin de créer des dispositifs miniaturisés pour des applications en biologie cellulaire.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Génie biomédical
- Neurosciences
- Microfluidique
Contexte
- La microfluidique est une discipline jeune qui s'est développée au cours de la dernière décennie.
- Elle utilise des méthodes provenant de l'industrie des circuits intégrés.
- Les expériences biologiques traditionnelles utilisent généralement des échelles plus grandes, comme les boîtes de Pétri.
- Les cellules sont souvent immergées dans de grands volumes de liquide, ce qui peut limiter la précision expérimentale.
Objectif de l'étude
- Développer de petits dispositifs comportant des canaux et des réservoirs pour des applications en biologie cellulaire.
- Améliorer la précision des expériences impliquant de petites cellules.
- Explorer le potentiel de la miniaturisation en recherche biomédicale.
Méthodes utilisées
- Développement de nouveaux dispositifs biomédicaux.
- Application de techniques de microfluidique.
- Utilisation de méthodes de miniaturisation provenant des circuits intégrés.
- Conception expérimentale axée sur des applications biologiques à petite échelle.
Résultats principaux
- Création de dispositifs capables de manipuler de petits volumes de liquide.
- Capacité améliorée à réaliser des expériences à l'échelle microscopique.
- Potentiel d'amélioration des résultats en neurosciences et en recherche sur les cellules souches.
- Mise en évidence des avantages des dispositifs expérimentaux miniaturisés.
Conclusions
- Les dispositifs microfluidiques représentent une avancée significative dans la recherche biologique.
- La miniaturisation peut conduire à des expériences plus précises et mieux contrôlées.
- Un développement supplémentaire dans ce domaine pourrait transformer les applications en neurosciences et en cellules souches.
Questions fréquemment posées
Pertinence sectorielle pour les professionnels
Les dispositifs microfluidiques permettent un contrôle précis des microenvironnements cellulaires, répondant ainsi à un défi majeur en neurosciences et en recherche sur les cellules souches, où les modèles conventionnels en boîte de Pétri manquent de résolution spatiale et temporelle. Cette technologie permet une détection mécanistique des risques en assurant l'isolation fluide des compartiments axonaux et somatiques, facilitant des études ciblées sur les agressions cellulaires et la collecte de fractions pures pour des analyses ultérieures. La plateforme améliore la fiabilité prédictive dans la validation des cibles et le développement de tests en augmentant la reproductibilité et en permettant une imagerie en temps réel à haute résolution des cellules vivantes.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques grâce à l'isolement fluidique de compartiments neuronaux afin d'étudier les réponses spécifiques à chaque compartiment face à des agressions solubles.
- Valeur opérationnelle : Facilite la validation fonctionnelle de cibles en maintenant des structures neuronales polarisées pendant 2 à 3 semaines, permettant une évaluation longitudinale du transport axonal et de la dégénérescence.
- Valeur prédictive : Renforce la confiance dans les études d'engagement de cibles en réduisant la variabilité expérimentale grâce à un contrôle précis du microenvironnement et à la mise en place de gradients fluidiques reproductibles.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Fournit une plateforme standardisée pour préparer des systèmes biologiques validés avec séparation fluidique, permettant un criblage fiable de composés dans des compartiments axonaux ou somatiques distincts.
- Valeur opérationnelle : Améliore la reproductibilité et la montée en échelle des tests grâce à des pièces polymères de précision moulées et à la compatibilité avec la microscopie DIC, en contraste de phase, confocale et à deux photons.
- Utilité de la plateforme : Permet des analyses biochimiques en aval telles que la PCR sur des fractions axonales pures, augmentant ainsi la préparation au criblage pour l'élucidation de cibles et de voies biologiques.
Recherche translationnelle et préclinique
- Pertinence translationnelle : Modélise les lésions du système nerveux central et la neurodégénérescence en permettant l'administration localisée d'agents toxiques ou d'agrégats dans des compartiments axonaux jusqu'à 20 heures après le changement de milieu.
- Continuité préclinique : Fait le lien entre la découverte et la validation préclinique en permettant une culture longitudinale et une immunocytochimie à point final fixe pour évaluer les résultats structuraux et fonctionnels.
- Progrès ajusté au risque : Éclaire les décisions d'aller ou de ne pas aller plus loin en fournissant des lectures quantitatives, spécifiques aux compartiments, qui réduisent l'ambiguïté mécanistique dans les voies cibles.
Intégration du pipeline et du flux de travail
La plateforme de culture neuronale microfluidique s'intègre dans le continuum de découverte, de la vérification des hypothèses jusqu'à l'identification de composés candidats et la validation préclinique, en soutenant des cycles itératifs de conception et de test dans le développement de neurothérapeutiques.
- Biologie de la découverte : Facilite la vérification d'hypothèses en permettant un contrôle précis des gradients de facteurs solubles dans l'espace et le temps afin d'étudier la chimiotaxie, la morphogenèse et les réponses des cellules immunitaires dans un format réductionniste.
- Écrans (screening) : Assure la préparation des tests grâce à des compartiments optiquement compatibles et isolés fluidiquement, permettant l'évaluation parallèle de composés sans contamination croisée.
- Analytique : Produit des mesures quantitatives de variables dépendantes telles que l'intensité de fluorescence axonale, la vitesse de transport et les profils moléculaires basés sur la PCR à partir de fractions purifiées.
- Recherche translationnelle : S'intègre aux flux de travail précliniques en modélisant des mécanismes de pathologie du système nerveux central, tels que la dégénérescence axonale et les déficits de transport, pertinents pour la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
- Réutilisation en entreprise : Fonctionne comme une plateforme réutilisable dans divers projets en raison de son adaptabilité à différents types de neurones, dérivés de cellules souches et tests de facteurs solubles.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles en réduisant le bruit biologique et en permettant une dé-risque mécanistique grâce à des perturbations spécifiques aux compartiments.
- Valeur opérationnelle : Assure standardisation et reproductibilité grâce à un moulage de précision et un contrôle fluide, minimisant ainsi la variabilité entre puits et entre expériences.
- Valeur stratégique : Améliore l'efficacité du capital en réduisant les faux positifs lors du criblage précoce et en diminuant l'abandon en phase tardive grâce à une meilleure fidélité biologique.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des candidats neurothérapeutiques par le biais d’un profilage d’efficacité et de toxicité résolu au niveau compartimental.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en conception microfluidique, en culture neuronale et en imagerie de cellules vivantes pour optimiser la fabrication du dispositif et la mise en place expérimentale.
- Dépend de l'accès à des outils de fabrication microfluidique, à des systèmes de contrôle de pression pour l'isolement hydrostatique, ainsi qu'à des plateformes de microscopie compatibles.
- Implique une standardisation croisée entre équipes d'ingénierie et d'biologie afin d'assurer un fonctionnement cohérent du dispositif et une interprétation uniforme des données.
- Suppose des adaptations lors de l'extension à d'autres types cellulaires que les neurones du système nerveux central, tels que les cellules souches ou les cellules immunitaires, en raison de propriétés d'adhésion et de migration différentes.
- Est limité par la nécessité de techniques aseptiques et de protocoles de changement de milieu afin de maintenir l'isolement fluidique pendant des périodes prolongées de culture (2 à 3 semaines).
