Il professor Thomas Gervais del Polytechnique Montréal e i suoi studenti Pierre-Alexandre Goyette e Étienne Boulais, in collaborazione con il team guidato dal professor David Juncker della McGill University, hanno sviluppato un nuovo processo microfluidico volto ad automatizzare il rilevamento delle proteine ​​da parte degli anticorpi. Questo lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , indica l'arrivo di nuovi strumenti portatili per accelerare il processo di screening e l'analisi delle molecole nei laboratori biologici per accelerare la ricerca nella biologia del cancro.

Dalla microfluidica convenzionale alla microfluidica dello spazio aperto

La microfluidica si riferisce alla manipolazione di fluidi in dispositivi su microscala. Comunemente chiamati "laboratori su un chip, "i sistemi microfluidici sono utilizzati per studiare e analizzare campioni chimici o biologici su scala molto piccola, sostituendo gli strumenti estremamente costosi e ingombranti utilizzati per le analisi biologiche tradizionali. Elencato nel 2001 tra le "10 tecnologie emergenti che cambieranno il mondo" dal MIT Technology Review, la microfluidica è considerata rivoluzionaria per la biologia e la chimica quanto i microprocessori lo sono stati per l'elettronica e l'informatica, e si applica a un mercato enorme.

Oggi, questa giovane disciplina, che ha iniziato a decollare negli anni 2000 con sistemi chiusi costituiti da reti microcanali, è essa stessa radicalmente trasformata dalla scoperta fatta dal gruppo di ricercatori del Polytechnique e della McGill University, che rafforza i fondamenti teorici e sperimentali della microfluidica dello spazio aperto.

Questa tecnologia, che elimina i canali, compete favorevolmente con la microfluidica convenzionale per alcuni tipi di analisi. Infatti, la configurazione classica dei dispositivi microfluidici a canale chiuso presenta diversi svantaggi:la scala delle sezioni del canale aumenta lo stress che le cellule subiscono quando sono in coltura, e non sono compatibili con lo standard di coltura cellulare, la capsula di Petri, il che rende difficile per l'industria adottarlo.

Il nuovo approccio esplorato dai ricercatori del Polytechnique e della McGill University si basa sui multipoli microfluidici (MFM), un sistema di aspirazione e aspirazione simultanea del fluido tramite micro-aperture contrapposte su una superficie molto piccola posta in uno spazio ristretto di spessore inferiore a 0,1 mm. "Quando entrano in contatto l'uno con l'altro, questi getti di fluidi formano modelli che possono essere visti tingendoli con reagenti chimici, " afferma il professor Gervais. "Volevamo comprendere questi modelli mentre sviluppavamo un metodo affidabile per modellare gli MFM".

Elegante simmetria visiva che ricorda il lavoro dell'artista M. C. Escher

Per comprendere questi schemi, Il team del professor Gervais ha dovuto sviluppare un nuovo modello matematico per i flussi multipolari aperti. Questo modello si basa su una branca classica della matematica nota come mappatura conforme che risolve un problema relativo a una geometria complessa riducendola a una geometria più semplice (e viceversa).

dottorato di ricerca lo studente Étienne Boulais ha sviluppato per la prima volta un modello per studiare le collisioni di microgetti in un dipolo multifluidico (un MFM con solo due aperture), poi, basandosi su questa teoria matematica, estrapolato il modello a MFM con più aperture. "Possiamo fare un'analogia con una partita a scacchi in cui esiste una versione con quattro giocatori, poi sei o otto, applicando una deformazione spaziale mantenendo le stesse regole del gioco, " lui spiega.

"Se sottoposto a mappatura conforme, i motivi creati dalle collisioni di getti fluidi formano immagini simmetriche che ricordano i dipinti dell'artista olandese M.C. Escher, " aggiunge il giovane ricercatore, che ha una passione per le arti visive. "Ma ben al di là del suo fascino estetico, il nostro modello ci permette di descrivere la velocità con cui le molecole si muovono attraverso i fluidi e la loro concentrazione. Abbiamo definito regole valide per tutte le possibili configurazioni di sistemi fino a 12 poli al fine di generare un'ampia varietà di modelli di flusso e diffusione".

Il metodo è quindi una cassetta degli attrezzi completa che consentirà non solo di modellare e spiegare i fenomeni che si verificano nelle MFM, ma anche esplorare nuove configurazioni. Grazie a questo metodo, è ora possibile automatizzare i test microfluidici in spazio aperto, che fino ad ora sono stati esplorati solo per tentativi ed errori.

Fabbricazione del dispositivo mediante stampa 3D

La progettazione e la fabbricazione del dispositivo MFM sono state realizzate da Pierre-Alexandre Goyette. Questo dispositivo è una piccola sonda realizzata in resina che utilizza un processo di stampa 3D a basso costo e collegata a un sistema di pompe e iniettori.

"L'esperienza del team del professor Juncker nel rilevamento di proteine ​​da anticorpi immobilizzati su una superficie è stata preziosa nella gestione degli aspetti biologici di questo progetto, " afferma il dottorando in ingegneria biomedica. "I risultati ottenuti con i saggi hanno convalidato l'accuratezza dei modelli sviluppati dal mio collega Étienne".

Il dispositivo consente l'uso simultaneo di più reagenti per rilevare diverse molecole nello stesso campione, che fa risparmiare tempo prezioso ai biologi. Per alcuni tipi di test, il tempo di analisi potrebbe essere ridotto da alcuni giorni a poche ore, o anche una questione di minuti. Inoltre, la versatilità di questa tecnologia dovrebbe renderla utilizzabile per vari processi analitici, compresi i test immunologici e del DNA.

Verso un display microfluidico?

Il team del professor Gervais sta già considerando un passo successivo del suo progetto:lo sviluppo di uno schermo che mostri un'immagine chimica.

"Sarebbe una sorta di equivalente chimico del display a cristalli liquidi, " Spiega il professor Gervais. "Nello stesso modo in cui muoviamo gli elettroni attraverso uno schermo, manderemmo getti di fluido a varie concentrazioni che reagirebbero con una superficie. Insieme, formerebbero un'immagine. Siamo molto entusiasti di andare avanti con questo progetto, per il quale abbiamo ottenuto un brevetto provvisorio."

Reinvenzione delle procedure diagnostiche e follow-up del trattamento medico

Per adesso, la tecnologia sviluppata da questo gruppo di ricerca è rivolta al mercato della ricerca fondamentale. "I nostri processi consentono di esporre le cellule a molti reagenti contemporaneamente, " Il professor Gervais dice. "Possono aiutare i biologi a studiare le interazioni tra proteine ​​e reagenti su larga scala, aumentare la quantità e la qualità delle informazioni ottenute durante i test."

Spiega che successivamente, anche il mercato farmaceutico potrà beneficiare dei nuovi metodi di automazione dei sistemi di screening derivanti dalla scoperta. Infine, apre una nuova strada per la scoperta di farmaci facilitando la coltura cellulare del paziente e l'esposizione a vari agenti farmacologici per determinare a quali rispondono meglio.