La cytom´ etrie en flux et les syst` emes fluidiques

La cytom´etrie en flux est la m´ethode la plus couramment utilis´ee en biologie pour l’analyse et la s´eparation de populations cellulaires dans un m´elange. Les cellules sont marqu´ees avec un ou plusieurs colorants fluorescents sp´ecifiques des composants cellulaires que l’on cherche `a d´etecter, par exemple, des prot´eines “r´ecepteurs” de la membrane cellulaire. Chaque cellule subit ensuite une focalisation hydrodynamique avant de traverser rapidement un faisceau d’excitation (laser ou lampe `a arc de mercure). La fluorescence ´emise fournit une mesure quantitative de diverses propri´et´es biochimiques et biophysiques de la cellule, et peut ensuite ˆetre exploit´ee pour le tri s´electif de cellules. D’autres param`etres optiques mesurables incluent l’absorption et la dispersion de la lumi`ere, ce dernier param`etre ´etant applicable `a la mesure de la taille des cellules, leur forme, leur densit´e, leur granularit´e, et leur coloration. Un cytom`etre de type FACS (Fluorescence-Activated Cell Sorter)permet de trier un tr`es grand nombre de cellules par seconde, de l’ordre de 104 cellules par seconde. Ce tri est r´ealis´e en fractionnant le jet de liquide en microgouttes contenant au maximum une cellule qui sont charg´ees ´electrostatiquement. Par une instrumentation de synchronisation entre le d´etecteur et une chambre de d´eviation par champ ´electrique, les gouttes seront ensuite d´evi´ees en fonction des param`etres sp´ecifi´es par l’utilisateur (taille, granulom´etrie et propri´et´es fluorescentes souhait´ees) et r´ecup´er´ees dans des r´eservoirs distincts.

Pouvoir trier et analyser de petits ´echantillons contenant des cellules rares (comme les cellules foetales circulant dans le sang maternel) serait une perspective tr`es int´eressante pour le domaine du diagnostic m´edical. La r´ealisation de certains tests `a partir d’´echantil- -lons de quelques microlitres de sang seulement serait ainsi envisageable. On ´eviterait de cette fa¸con au patient des pr´el`evements plus importants et parfois risqu´es, comme par exemple pour le diagnostic pr´enatal.

d´efauts qui font qu’il ne peut pas r´epondre aux enjeux de la miniaturisation. Ces machines souffrent de l’´ecart ´enorme entre la taille de l’outil et celle de l’objet. Ceci gˆene leur int´egration dans des syst`emes analytiques miniaturis´es : les instruments traditionnels de cytom´etrie sont encombrants et mal adapt´es `a l’´echelle microm´etrique.

Si la pr´ecision et le d´ebit de ces outils est remarquable, les besoins exp´erimentaux sont parfois d´epass´es par les capacit´es de ces appareils. C’est pourquoi les cytom`etres traditionnels doivent ˆetre compl´et´es par des des dispositifs con¸cus pour les petits ´echantillons et adapt´es `a certains des nouveaux besoins de la biologie. Le tr`es haut d´ebit d’analyse est une caract´eristique des cytom`etres conventionnels non essentielle pour les MicroTAS et autres Lab-On-Chip. En effet, en cytom´etrie classique, un grand nombre de cellules est n´ecessaire, et l’on doit augmenter ce nombre si la population ´etudi´ee repr´esente moins de 1 % de la population totale enregistr´ee. Si ces crit`eres ne sont pas respect´es, l’´echantillon risque fort d’ˆetre ´epuis´e avant que les r´eglages des param`etres d’analyse et de tri ne soient effectu´es.

Dans son ´etat actuel, la cytom´etrie ne permet pas le traitement d’´echantillons de petite taille et sa pr´ecision reste souvent insuffisante pour rep´erer des cellules rares. Etant donn´e le statut de m´ethode reine de cette technologie et son implantation solide dans les laboratoires de biologie, l’objectif n’est pas de d´evelopper une m´ethode concurrente mais d’am´eliorer celle-ci en apportant une solution `a ses d´efauts. Quelques exemples de transport ou de tri de particules et de cellules sur des microdispositifs sont donc apparus o`u des forces hydrodynamiques [89], [90], ´electrocin´etiques [91], ´electroosmotiques [92], [93] et di´electrophor´etiques [94], [95], [96] [97] furent utilis´ees. Les travaux de Telleman [89], [98] d´emontrent la possibilit´e de trier des particules magn´etiques et fluorescentes `a l’aide d’un flux laminaire dans un syst`eme microfluidique et McClain [91] a, quant `

a lui, utilis´e une focalisation ´electrophor´etique pour la cytom´etrie en fluorescence de E. coli. Des syst`emes fonctionnant par diff´erences de pression ont aussi ´et´e propos´es. Les dispositifs bas´es sur des champs ´electriques ou magn´etiques seront d´etaill´es dans les paragraphes suivants.

L’´equipe de Whitesides et al. [99] a ´egalement con¸cu des dispositifs en poly(dim´ethyl- - siloxane) dans lequels le flux est dirig´e par des diff´erences de pression. Tkaczyk, de l’universit´e du Michigan a d´emontr´e en 2003 la pertinence d’un commutateur microfluidique bas´e sur la mise en action d’un jet liquide dans un syst`eme d’´ecoulement biphas´e d’air-liquide (la focalisation du liquide est r´ealis´ee avec de l’air). Cette mise en action originale du liquide combine les avantages de l’´ecoulement biphas´e et de l’activation ´electrique, ouvrant de nouvelles possibilit´es pour le tri de cellules et de particules.

pour un syst`eme d’analyse complet. Cependant, les vitesses de tri sont encore tr`es ´eloign´ees du haut d´ebit souhait´e et ces syst`emes sont souvent caract´eris´es par de faibles viabilit´es cellulaires. C’est pourquoi des dispositifs utilisants d’autres technologies et des principes physiques diff´erents ont ´et´e d´evelopp´es. Ils sont d´ecrits de fa¸con non exhaustive dans les lignes suivantes.