Des semiconducteurs aux microsyst` emes pour la biologie

Les trente derni`eres ann´ees ont vu des d´eveloppements importants dans le domaine de la microfabrication, dirig´es essentiellement vers les circuits micro´electroniques des semiconducteurs traditionnels. Les techniques de fabrication d´evelopp´ees `a l’origine pour ce domaine ont conduit au d´eveloppement de capteurs et transducteurs solides et `a ce qui est de nos jours connu sous le nom de microsyst`emes ´electrom´ecaniques (MEMS). Des syst`emes int´eressants dans les domaines automobile et a´erospatial (capteurs de pression, acc´el´erom`etres, gyroscopes) et celui de l’indus- trie du stockage de donn´ees (tˆete de lecture de disques durs, syst`emes d’impression `a jet d’encre) furent d´evelopp´es. Ce march´e repr´esentait en 2003 plus de 10 milliards de dollars. Ce succ`es est en grande partie dˆu `a trois caract´eristiques principales : faible coˆut, grande reproductibilit´e, et taille r´eduite.

Durant ces dix derni`eres ann´ees, une direction nouvelle visant les sciences de la vie, la chimie et la m´edecine a mobilis´e un nombre important de chercheurs du secteur des MEMS. Les domaines concern´es sont, par exemple, le s´equen¸cage, la recherche et la d´elivrance de drogues, l’ing´enierie tissulaire ou encore les outils de diagnostic.

Par exemple, c’est grˆace au d´eveloppement des s´equenceurs multicapillaires que le g´enome humain a ´et´e s´equenc´e en un temps tr`es inf´erieur aux pr´evisions initiales, et c’est celui des «puces `

a ADN» qui a ouvert la voie `a de nombreux projets actuels de biologie ou de pharmacog´enomique. Mais, malgr´e ces progr`es, il subsiste un large foss´e entre ce qui est aujourd’hui possible et les outils dont biologistes, m´edecins et pharmaciens souhaiteraient disposer. L’un des probl`emes actuels est que certaines ´etapes du processus d’analyse ont ´et´e consid´erablement parall´elis´ees par des outils comme les «puces `a ADN», mais d’autres, concernant en particulier la pr´eparation d’´echantillons en «amont», comme le tri et la centrifugation, restent d´ependantes de techniques lourdes et macroscopiques, et de robots encombrants, d´elicats et coˆuteux.

Les laboratoires sur puces («lab on chips») `a base de microfluidique constituent actuelle- ment la direction de recherche la plus prometteuse pour r´esoudre ce probl`eme. Ces syst`emes, appel´es ´egalement «microsyst`emes d’analyse totale» (micrototal analysis system, ou MicroTAS)

cherchent, tout comme l’ont fait les circuits int´egr´es pour l’´electronique, `a r´eunir sur un support de dimensions r´eduites (typiquement d’une taille comprise entre celle d’une lame de microscope et d’un CD) une multitude de processus tout en permettant un haut d´ebit d’analyse ainsi qu’un haut niveau d’automatisation. En traitant des ´echantillons `a l’´echelle du nanolitre dans des ca- naux de dimension microm´etrique voire nanom´etrique, la technologie microfluidique permet une nette am´elioration en termes de vitesse et de sensibilit´e de l’analyse, et dans le mˆeme temps une large r´eduction de l’encombrement et du coˆut. Ces quelques arguments expliquent l’essor qu’a connu au cours des derni`eres ann´ees ce nouveau domaine des sciences technologiques, dont les applications touchent tout autant la biologie que la physique et la chimie.

Sur le plan scientifique et technique, les laboratoires sur puces posent encore un grand nombre de questions, et constituent un terrain d’exercice particuli`erement fertile pour l’imagination des chercheurs. Depuis les toutes premi`eres puces de Manz [80] et de Harrison [81] au d´ebut des ann´ees 1990, un grand nombre de nouvelles petites soci´et´es se sont d´evelopp´ees en particulier aux Etats-Unis, et des partenariats se d´eveloppent `a la fois avec les «majors», de l’instrumentation analytique et certains grands noms de la micro´electronique tels que Motorola ou Hitachi.

L’int´erˆet accru de la recherche sur les MicroTAS ou Lab-On-Chip s’illustre par l’apparition de nouvelles revues (Lab-on-Chip), de sections sp´eciales sur ce sujet (MicroTAS dans Sensors and Actuators B ), et d’une grande quantit´e d’articles dans des journaux relatifs `a ce sujet (Electrophoresis, Journal of Chromatography A, Analytical Chemistry) ainsi que plusieurs autres articles passant en revue le sujet avec plus ou moins de d´etails [82], [83], [84], [85], [86].

Un congr`es annuel de la recherche sur des microsyst`emes int´egr´es et la nanotechnologie pour la chimie et les sciences de la vie lui est mˆeme d´edi´e. C’est le congr`es MicroTAS qui a eu lieu en 2005 `a Boston aux USA et pour lequel les travaux expos´es dans cette th`ese ont ´et´e s´electionn´es parmi plus de 832 soumissions.

En 2006, plus d’une centaine d’entreprises de part le monde sont des acteurs actifs du do- maines des BioMEMS et des syst`emes de microanalyse totale (MicroTAS). Les laboratoires- sur-puce recouvrent l’ensemble des microsyst`emes int´egr´es pour la pr´eparation, la s´eparation, la r´eaction, la d´etection et la synth`ese en chimie et en biologie.

Le d´eveloppement de tels dispositifs en biologie s’av`ere ˆetre une approche particuli`erement avantageuse pour certaines applications. En particulier, les plateformes microfluidiques per- mettent, par exemple, la manipulation de cellules en petit nombre (100-10 000 cellules), ce qui est impossible `a r´ealiser avec les cytom`etres en flux conventionnels, qui requi`erent typiquement un ´echantillon de taille sup´erieure `a 500 000 cellules [87],[88].

En parall`ele avec l’´emergence de ces concepts de MicroTAS et de Lab-on-Chip, les principales m´ethodes de manipulation utilis´ees dans les laboratoires, telles que les pinces optiques, le tri magn´etique ou par fluorescence, la filtration, ou encore les manipulations bas´ees sur l’utilisation d’un champ ´electrique virent donc le jour sous une forme la plus miniaturis´ee possible.

Une description repr´esentative des travaux bas´es sur ces m´ethodes -et volontairement res- treinte ici aux syst`emes utilis´es ou utilisables en biologie- fait l’objet des paragraphes suivants.