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Chapitre I : Introduction et Motivations de ce travail

IV. Lab-on-chip

IV.2 Applications des Lab-on-chip

Beaucoup de recherches sont menées sur les laboratoires sur puces et les applications

visées sont très diversifiées. La plupart des recherches se concentrent sur les technologies de

diagnostic, pour lesquelles nous donnons ici quelques exemples parmi les plus prometteurs.

IV.2.1 Applications en biologie moléculaire

La technologie des Lab-on-chip offre des avancées permettant l’étude d’un nombre

important de molécules et d’organismes biologiques. Vu que l’amplification de l’ADN par PCR

repose sur des cycles thermiques, la capacité d’effectuer des changements thermiques à grande

vitesse à l’échelle microscopique explique pourquoi le Lab-on-chip est devenu un moyen rapide

pour faire la PCR. Ces gains élevés en termes de vitesse de détection se mettent en place tout

en conservant le même niveau de spécificité. A titre d’exemple, ces micro-plateformes sont

utilisées pour la détection des SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), comme le montre la

Figure 19. Les SNPs représentent la variation d’une seule paire de base nucléotidique au sein

du génome entre les individus d’une même espèce. Les Lab-on-chip regroupent la

miniaturisation d’un ensemble d’opérations : la préparation de l’échantillon, l’amplification des

gènes et la détection des SNPs, simplifiant ainsi le processus du génotypage. L’échantillon

biologique (tel le sang contenant l’ADN), est injecté à l’entrée de la région d’extraction de

l’ADN. Ensuite, les cellules sanguines sont lysées et l’ADN brut est extrait avant de circuler

jusqu’à la région où s’effectue la PCR. Le produit résultant de la PCR est finalement conduit

jusqu’à la zone de détection pour la discrimination des SNPs [108].

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De plus, les Lab-on-chip fournissent un nouveau monde de possibilités pour le séquençage de

l’ADN et de l’ARN. Les premiers projets du séquençage du génome humain ont pris des années

et ont nécessité le travail de centaines de chercheurs [109]. Aujourd'hui, avec l’utilisation des

Lab-on-chip intégrant un réseau de sondes d'ADN, nous sommes capables de séquencer les

génomes des milliers de fois plus rapidement [110], [111], [112]. Toutes les opérations

biomoléculaires effectuées sur les Lab-on-chip montrent un grand potentiel pour la détection

des virus [113] et des bactéries [114], mais aussi pour l'identification de biomarqueurs de

certaines pathologies (ADN et ARN) [115], [116]. Ces laboratoires sur puces présentent une

grande sensibilité de détection de biomarqueurs et apparaissent donc comme des outils très

prometteurs pour le diagnostic du cancer et d’autres maladies. Ils se présentent comme des

techniques d’analyse rapides, simples et précises, capables de détecter des biomarqueurs du

cancer colorectal [117], du cancer de la prostate [118], etc. A titre d’exemple, une étude faite

en 2014 [119] montre le développement d’une méthode rapide, simple et à faible coût d’une

puce microfluidique pour la détection de la protéine AFP (Alpha FetoProtein) présente

abondement chez les personnes atteintes d’un hépatocarcinome (cancer du foie). La détection

de l’AFP se base sur l’utilisation des anticorps monoclonaux couplés à une molécule

fluorescente, spécifiques de cette protéine. En plus de la réussite de la détection de cette

protéine, même à très faible concentration (1.5 ng/ml), une bonne corrélation avec le kit

commercial « Roche's electrochemiluminescence (ECL) » appuie les propos établis sur les

avantages du Lab-on-chip (Figure 20).

En outre, les laboratoires sur puce détiennent d'énormes possibilités pour les essais

immunologiques, qui peuvent être effectués en quelques dizaines de secondes au lieu des

dizaines de minutes requises avec les technologies classiques [119].

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(A) (B)

Figure 20 : (A) Schéma de la puce microfluidique du test immunofluorescent de l’AFP. (a) Immobilisation de l’anticorps Ab1. Ab1 est introduit dans les micro-canaux, ce qui résulte en une formation de bandes parallèles d’anticorps sur le PDMS. (c) Réaction immunologique entre les antigènes AFP et les anticorps couplés à la molécule fluorescente HRP. (d) Mesure et analyse de la chimioluminescence. (B) Comparaison entre le test microfluidique et le kit Roche ECL commercial [119].

IV.2.2 Applications en protéomique

Dans le domaine de la protéomique, les Lab-on-chip offrent la possibilité d'effectuer des

analyses de protéines tout en intégrant, là encore, toutes les étapes au sein de la même puce:

extraction à partir de la cellule, séparation par électrophorèse et analyse par spectrométrie de

masse. Ces processus intégrés montrent la capacité de réduire considérablement l'analyse des

protéines de quelques heures avec des systèmes classiques à quelques minutes avec le

laboratoire-sur-puce. Les Lab-on-chip montrent également un grand potentiel pour la

cristallisation des protéines (révélation de la structure 3D d'une protéine). Avec l’utilisation des

laboratoires sur puce, les chercheurs sont capables de contrôler simultanément et d’une manière

rapide tous les paramètres permettant la cristallisation d'une protéine donnée [120]. Le facteur

le plus important est la possibilité de paralléliser les conditions de cristallisation afin d'accélérer

la découverte de conditions de cristallisation des protéines inconnues et d'étudier leurs

structures (Figure 21).

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Figure 21: Système microfluidique à base de gouttes pour l’étude de la cristallisation des protéines. (a-c) Une représentation schématique: le débit d’écoulement du NaCl est réduit au fur et à mesure et le débit d’écoulement du tampon augmente ; le volume de la solution de NaCl injectée dans chaque gouttelette diminue (diminution de la concentration). L'ombre des gouttelettes représente la concentration de NaCl. Chaque gouttelette successive représente un essai qui teste un rapport différent des solutions mères. (d) Une microphotographie polarisée illustrant la cristallisation du lysozyme à l'intérieur des gouttelettes de composition variable sur une puce microfluidique [120].

Figure 22 : micrographies à lumière polarisée de cristaux de protéines obtenus à l'intérieur des gouttelettes sur une puce microfluidique. Barre d'échelle est de 50 um. (a, b) Thaumatine, (c) Catalase du foie bovin, et (d) la glucose-isomérase. Le cristal en (b) a été obtenu en permettant une évaporation partielle des gouttelettes [120].

IV.2.3 Applications en chimie

La possibilité de contrôler la température à l’échelle micrométrique permet une plus

grande efficacité dans certaines réactions chimiques. Par conséquent, beaucoup de recherches

ont été menées sur l'utilisation de laboratoires sur puce comme réacteurs chimiques miniaturisés

et hautement parallélisables. Les Lab-on-chip peuvent également être intéressants pour traiter

et utiliser des composés dangereux et explosifs en travaillant avec de plus petits volumes. De

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plus, dans le cadre de la sécurité sanitaire des aliments et de l’analyse chimique

environnementale, ils sont développés pour contrôler la qualité de la nourriture ou la pollution

de l’eau [121].

IV.2.4 Applications en biologie cellulaire

Les microdispositifs sont de petites dimensions (canaux, éléctrodes) ce qui les rend

appropriés pour travailler avec de faibles volumes de solutions. La technologie Lab-on-chip se

développe vers la biologie cellulaire car une seule cellule peut être traitée à la fois et cela en

quelques secondes. De plus, la faible distance entre les microélectrodes permet la réduction de

la valeur de la tension utilisée, ce qui simplifie les dispositifs à mettre en œuvre. En outre, l’effet

Joule résultant de l’emploi des champs électriques est considérablement réduit en microvolume.

Il existe ainsi plusieurs applications des microsystèmes en biologie cellulaire : le Patch Clamp

au niveau micrométrique, le contrôle de la différenciation des cellules souches [122], la

cytométrie en flux haut débit [123] et le tri cellulaire [124], [125].

Figure 23 : (a) Représentation schématique d’une puce microfluidique pour la différentiation des cellules souches mésenchymateuses humaines en adipocytes. Huit chambres parallèles avec une entrée et une sortie. Chaque chambre est divisée en quatre compartiments par trois rangées. (b) Photographie de la puce microfluidique. (c) microphotographie des adipocytes différenciés, (d) le pourcentage de la population d'adipocytes après 14 jours de différenciation sur puce [122].

Un autre domaine de recherche actif concerne les Lab-on-chip pour la recherche

pharmaceutique vu leur capacité de réaliser des criblages parallélisés haut débit pour la

découverte des médicaments [126], [127].

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Ces puces sont donc utilisées pour l’étude d’une grande gamme de entités biologiques, tel que

l’ADN [128], les protéines et les peptides [129], et les cellules [130].