Biopuce à base de capteurs GMR pour le diagnostic biologique précoce à haute sensibilité

Publié par Redbran le 05/01/2020 à 14:00
Source: CEA IRAMIS
Le développement de techniques de diagnostics biologiques précoces, à la fois rapides et sensibles, est un vrai défi dans des domaines aussi variés que la défense, l'environnement et la santé. Le laboratoire LNO du SPEC a développé une biopuce à base de capteurs magnétiques ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se déplacer...) sensibles à magnétorésistance géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la séquence principale. Elles se...) (capteurs GMR), capable de détecter individuellement et de façon efficace des cibles biologiques marquées magnétiquement.


Figure 1: Biopuce à base de capteurs GMR.
A: cellule marquée avec des billes magnétiques fonctionnalisées par un anticorps spécifique.
B: photos à différentes échelles du prototype de la biopuce, du capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une...) GMR et du canal microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de...).
C: schéma de principe de la détection dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) caractéristique attendu (V = f(t)) pour des billes immunocapturées par la cible biologique passant au-dessus du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille....).
D: Signaux réels obtenus lors du passage de différents objets magnétiques (billes, cellules marqués, agrégats de billes) au-dessus du capteur GMR, qui peuvent dépasser le seuil de détection (+/- 0.2 V).

Les capteurs magnétiques à base d'électronique de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) à magnétorésistance géante (GMR) présentent l'avantage d'avoir une très grande sensibilité, de l'ordre de 50 à 200 pT/√Hz, d'être peu coûteux et de pouvoir être facilement intégrés. Ils sont notamment à l'origine de l'accroissement spectaculaire de la capacité des disques durs pour le stockage magnétique de l'information.

Il est aussi possible d'intégrer ce type de capteurs performants dans des dispositifs d'analyse sur puce, pour des applications en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...). La détection magnétique d'objets marqués peut être réalisée au sein de n'importe quelle matrice complexe et sans étape de lavage des échantillons qui, en outre peuvent être en très faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...). Autre avantage, la biopuce magnétique permet l'étude de cibles biologiques de toute taille (cellules, bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les...) etc..), alors que dans des tests de type bandelettes, les cellules et certaines bactéries de grande taille ne peuvent migrer et être détectées.

Pour détecter des objets biologiques, naturellement non magnétiques, il est nécessaire de les marquer préalablement avec des billes magnétiques fonctionnalisées avec des anticorps monoclonaux (produits par le partenaire SPI/LERI) ayant pour cible l'antigène (Un antigène est une macromolécule naturelle ou synthétique, reconnue par des anticorps ou des cellules du système immunitaire et capable...) biologique d'intérêt. Les objets biologiques ainsi labélisés circulent dans un canal microfluidique placé au-dessus d'un capteur GMR. Les billes sont initialement aimantées avec un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme...) permanent et c'est leur champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) dipolaire qui est ensuite détecté par le capteur GMR (figure 1). Un signal est donc obtenu à chaque passage d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et...) biologique magnétiquement marqué à proximité du capteur GMR.

Une étude sur des cellules de myélome murin (travaux de thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) de Manon Giraud au SPEC/LNO) avec un premier prototype de biopuce a permis d'évaluer pour la première fois les performances du dispositif: sensibilité, spécificité, répétabilité, robustesse, rapidité et facilité d'utilisation ont été les critères retenus pour caractériser chaque test de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi, „la...).

Les premiers tests montrent une sensibilité (ou limite de détection) de 3.1 cellules/mL, légèrement inférieure à celle de tests effectués en routine en laboratoire par cytométrie en flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...). Si cette valeur semble ainsi correcte, de biens meilleures performances peuvent être attendues pour le procédé avec capteurs GMR, qui doit permettre a priori la détection d'un unique objet biologique isolé. La limite mesurée est due à la présence de nombreux signaux faux positifs, qui ne proviennent pas des cellules marquées, mais sont issus de billes individuelles surnuméraires non fixées aux objets que l'on souhaite détecter et d'éventuels agrégats de billes: un agrégat de billes ou une bille qui passe très près du capteur GMR peuvent donner un signal équivalent à celui d'un objet biologique marqué par plusieurs billes magnétiques mais passant à plus grande distance du capteur. On note en effet que le champ dipolaire vu par le capteur GMR est inversement proportionnel au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant...) de la distance z des objets magnétiques à celui-ci: Hdip=µ/z3. Dans une première tentative de réduire ces signaux parasites, une couche de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) de quelques micromètres a été placée entre le capteur GMR et le canal microfluidique. Cette approche n'a cependant pas permis de supprimer l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des faux positifs.

Pour lever ce verrou et augmenter la sensibilité du dispositif, un nouveau prototype de biopuce a été développé (figure 2) et breveté, où deux capteurs GMRs couplés sont placés de part et d'autre du canal microfluidique. En corrélant les mesures des 2 capteurs, il est possible de définir l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une...) de détection ainsi que la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) dans le canal et la vitesse (On distingue :) des objets doublement détectés. L'ensemble de ces informations apporte les indicateurs nécessaires pour distinguer le signal issu des objets biologiques marqués de celui issu des billes surnuméraires ou des éventuels agrégats. Les seuls faux positifs restants ne proviennent plus que des agrégats comportant un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules magnétiques similaire à celui des cibles biologiques marquées recherchées.


Figure 2: Schéma de principe et photo de la nouvelle biopuce à base de multiples capteurs GMR, situés de part et d'autre du canal microfluidique

L'utilisation de billes avec une grande stabilité colloïdale, spécialement synthétisées pour ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) par le laboratoire PHENIX (PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX, UMR 8234 CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Sorbonne), devrait permettre d'obtenir une meilleure dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent...) des billes, réduisant ainsi considérablement le nombre d'agrégats. Une bien meilleure sensibilité est ainsi attendue, nettement inférieure aux tests commerciaux de référence.

Référence:
Evaluation of in-flow magnetoresistive chip cell-counter as a diagnostic tool
M. Giraud, F.D. Delapierre, A. Wijkhuisen, P. Bonville, M. Thévenin, G. Cannies, M. Plaisance, E. Paul, E. Ezan, S. Simon , C. Fermon , C. Féraudet-Tarisse and G. Jasmin-Lebras, Biosensors 2019, 9(3), 105

Collaboration:
- Service de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de l'État Condensé (SPEC), UMR 3680 CEA – CNRS, Université Paris-Saclay
M. Giraud, F.D. Delapierre, G. Jasmin (Le mot jasmin désigne les plantes dicotylédones appartenant au genre Jasminum.), G. Cannies, Elodie Paul et C. Fermon

- Service de Pharmacologie et d'Immunoanalyse (SPI), Laboratoire d'Études et Recherches en Immunoanalyse (LERI), CEA, INRA, Université Paris-Saclay
C. Féraudet Tarisse, A. Wijkhuisen, M. Plaisance et S. Simon.

Contact CEA:
- Guénaëlle Jasmin-Lebras,
- Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes (SPEC/LNO)
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