Utilisation de marqueurs physiques à l’échelle cellulaire
Concernant cette thématique, les derniers travaux concernent la mise au point de nombreuses puces microfluidiques utilisant des marqueurs cellulaires, notamment appliquées au suivi par mesures d’impédance de cellules cancéreuses du sein, à la caractérisation des propriétés mécaniques de globules rouges pour détecter d’éventuelles pathologie, au piégeages de CTC (cellules cancéreuses circulantes) en utilisant les propriétés magnétiques, ou encore à la mesure de pollution d’eau par l’utilisation de micro-algues chlorophylliennes.
Collaborations :
Institut Lumière-Matière, CEA-LETI, Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces, Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, Malaria Research Unit (Hôpitaux de Lyon), Institute of Bioengineering and Nanotechnology (A*Star, Singapour), Institut Néel.
Participants : M. Faivre, A-L. Deman, R. Ferrigno, J-F. Chateaux
(A) Des polymères composites microstructurés pour le piégeage d’entités biologiques en microsystème
L’approche composite est une approche originale pour mettre en œuvre des foncions électriques et magnétiques en microsystème en s’affranchissant des verrous technologiques liés à l’intégration hétérogène de matériaux magnétiques dans des polymères. Ainsi, cette technologie permet d’intégrer de micro-aimants ou des micro-concentrateurs de flux en microsystèmes en polydimethylsiloxane (PDMS). Les composites magnétiques (fer/PDMS ou NdFeB/PDMS) offrent l’avantage de présenter des propriétés magnétiques modulables, en microstructurant le composite via l’auto-organisation et la concentration des particules dans la matrice polymère, et ainsi d’adresser de nombreuses applications. Nous avons récemment développé des réseaux de micro-pièges magnétiques capables de générer des forces de quelques nN au contact. Dans le cadre du projet région LUTON, ils sont mis en œuvre pour réaliser la séparation des cellules tumorales circulantes (CTC) à partir d’une biopsie liquide.
Collaboration : Hospices Civiles de Lyon, l’Institut Lumière Matière et l’équipe Chimie & Nanobiotechnologies de l’INL.
Financement : Projet Région AURA Pack Ambition Recherche LUTON « Laboratoire sur puce dédié au traitement personnalisé du cancer du poumon » 2018-2022
Participants permanents LOCI : Marie-charlotte Audry, Magalie Faivre, Jean-françois Châteaux, Rosaria Ferrigno, Anne-laure Deman
(B) Exploitation de l’état physiologique d’algues unicellulaires pour la surveillance de l’environnement.
En collaboration avec le LEHNA, nous développons des laboratoires-sur-puces destinés à la surveillance de la qualité des eaux de surface telles que : lacs, rivières, bassins versants d’orage ou eaux pluviales urbaines. De très nombreuses techniques de laboratoire permettent une analyse fine de l’eau mais elles nécessitent un transport de l’échantillon (avec une évolution possible de celui-ci), requièrent un personnel très qualifié, prennent du temps et sont couteuses. Notre approche a pour objectif le développement d’outils simples pouvant être utilisés sur le terrain et qui offrent en seulement quelques une information préliminaire sur la qualité de l’eau. Il s’agit donc d’outils d’alerte permettant, grâce à un coût faible et une grande simplicité d’utilisation, une surveillance accrue de l’environnement par un maillage plus fin du territoire et des campagnes de prélèvement plus fréquentes.
Une des originalités de notre approche, basée sur le savoir-faire du LEHNA, est d’intégrer dans des systèmes microfluidiques des algues unicellulaires utilisées comme bio-capteurs à organismes entiers. Plusieurs compartiments physiologiques potentiellement affectés par des polluants peuvent être observés mais nous nous focalisons sur l’appareil photosynthétique dont l’état peut être évalué de manière très efficace par une mesure de la fluorescence chlorophyllienne. Ce compartiment est particulièrement sensible à de nombreux pesticides ainsi qu’aux métaux lourds. Les algues unicellulaires étant le premier maillon de la chaine alimentaire, ces organises sont des marqueurs pertinents de l’état du milieu.
Nous avons développé un premier fluorimètre de terrain permettant de réaliser ces mesures sur des algues injectées dans des systèmes microfluidiques simples, à très faible coût de revient et pouvant faire l’objet d’une production de masse (méthode de réalisation par xurographie). Depuis, un projet plus ambitieux a été initié en collaboration avec le LEHNA, le LAAS, le CINAM et la société ORIGALYS, et fait l’objet d’un financement ANR (projet BELUGA) sur la période sept 2018- sept 2022. Ce projet vise à intégrer au sein d’un même laboratoire sur puce à la fois des algues unicellulaires utilisées comme bio-capteurs mais aussi des capteurs physico-chimiques (pH, nitrates, oxygène, conductivité) permettant entre autres de contextualiser la réponse des algues. L’originalité de ce système tiendra sur deux aspects. D’une part, une approche « multi-algues », qui permettra de donner une information non seulement qualitative sur l’état de l’eau testée, mais aussi un résultat pré-analytique conduisant à orienter les analyses fines à conduire le cas échéant. D’autre part, nous proposons de concevoir ce système sous la forme d’un « lab-on-disc » : laboratoire-sur-puce pouvant être mis en rotation afin d’exploiter la force centrifuge pour déplacer les liquides. Nous sommes convaincus que cette approche est un atout majeur dans le cadre de la réalisation d’un système devant être utilisé sur le terrain.
Principe du lab-on-disc pour la surveillance de l’environnement
Collaborations :
Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels Anthropisés (LEHNA, UMR5023, Vaulx-en-Velin)
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS, UPR8001, Toulouse)
Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM, UMR7325, Marseille)
OrigaLys ElectroChem SAS (Rillieux-la-Pape)
Financements : Projet Algues-on-Chip (PEPS Avenir Lyon Saint-Etienne 2016 )
Projet BELUGA (ANR-18-CE04-0007, 09/2018 – 09/2022)
Participants : J-F. Chateaux, L. Renaud, P. Kleimann, A-L. Deman, M-C Audry
(C) Exploitation du phénotype mécanique de cellules pour du diagnostic médical
Nous développons des fonctions microfluidiques qui permettent de manipuler, concentrer, détecter ou trier une population de cellules en exploitant leurs propriétés mécaniques, dans le but de diagnostiquer ou suivre l’état pathologique du patient. Nos microsystèmes peuvent également servir à du criblage de molécules thérapeutiques pour des applications dites de médecine personnalisée. L’originalité de nos approches réside dans le développement de géométries originales permettant d’exalter les altérations de propriétés mécaniques des cellules d’intérêt.
Nos microsystèmes sont développés pour deux types cellulaires :
- Les cellules en adhésion sur un substrat qui migrent activement pour se déplacer. Par exemple, nous développons des plateformes microfluidiques mettant en œuvre des substrats micro- ou nano-structurés permettant l’étude de la transmigration de cellules cancéreuses métastatiques. Grâce au contrôle des écoulements dans nos microsystèmes, ces phénomènes mêlant propriétés de déformabilité et capacités migratoires des cellules peuvent être étudiés en présence de différents agents thérapeutiques de concentrations variables.
a) Trajectoires de cellules métastatiques montrant une migration aléatoire (à gauche) et dirigée (à droite) en l’absence ou en présence respectivement d’un stimulus. Les stimulii peuvent être d’ordre physique, comme b-c) la topographie du substrat ou c) l’environnement chimique des cellules.
- Les cellules circulantes qui sont emportées passivement par l’écoulement.
Notamment, nous développons des approches exploitant (i) la réponse dynamique de globules rouges individuels s’écoulant dans des restrictions microfluidiques, ou (ii) la réponse d’un grand nombre de cellules en parallèle, soumises à des expériences d’électro-déformation.
a) Séquence de déformation d’un globule rouge s’écoulant dans de multiples constrictions microfluidiques. b) Réponse mécanique d’un globule rouge sain soumis à différents champs électriques lors d’expérience d’électro-déformation. c) Mesure du Module d’Young de cellules par AFM à sonde colloïdale.
Collaborations :
Institut Lumière-Matière, Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon, Malaria Research Unit (HCL), Laboratoire Interuniversitaire pour la Biologie et la Motricité, Institut de Chimie et de Biochimie Moléculaires et Supramoléculaires, Labex GR-Ex.
Financements :
Projet PAPrICA (PEPS MITI CNRS)
Projet NeuroPalu (PEPS INSIS CNRS)
Projet IMPACT (AAP ONCOSTARTER du CLARA)
Participants : M. Faivre, R. Ferrigno, J-F. Chateaux, M-C. Audry
