Syst` emes optiques

Le d´eveloppement des techniques utilisant les forces optiques a incit´e les scientifiques `a utiliser ces caract´eristiques prometteuses dans la chaˆıne de tri cellulaire. Des exemples r´ecents sont venus appuyer cette tendance.

Comme nous l’avons vu pr´ec´edemment (section 1.2.2.1), Esener et al. [51], [52] ont d´emontr´e l’utilisation de lasers verticaux `a ´emission de surface par cavit´e (VCSELs) pour le pi´egeage et la manipulation de cellules et de microsph`eres. L’avantage d´emontr´e est la capacit´e des VCSELs `

a ˆetre utilis´es en r´eseau. En utilisant un r´eseau de 2 × 2 VCSELs, les auteurs ont d´emontr´e le transport simultan´e et ind´ependant de quatre globules rouges humains `a une vitesse d’environ

10µm/s. Cette possibilit´e de transport en parall`ele est un avantage significatif pour les appli- cations de tri et de d´eplacement cellulaire. Cependant cette m´ethode reste notamment limit´ee par les faibles vitesses de d´eplacement et la lourdeur d’un tel dispositif. Chaque pi`ege optique n´ecessite un composant et, mˆeme r´eduit, ceci nuit `a la r´ealisation de grands r´eseaux efficaces de pi´egeage, chaque pi`ege devant ˆetre manipul´e individuellement.

En 2003, Mac Donald et al. [60], ont expos´e leurs travaux sur un syst`eme de tri de particules associant une composante microfluidique et une composante optique (un r´eseau optique, voir la figure 1.22). Les particules en suspension dans un flux de particules traversent un r´eseau optique 3D g´en´erant des puits de potentiel. Selon leur taille et leur nature, la trajectoire initiale de certaines billes est d´evi´ee tandis que d’autres circulent dans le r´eseau sans perturbation. Ainsi, les particules de faible indice de r´efraction ne seront pas perturb´ees par la pr´esence du r´eseau optique tandis qu’au contraire, les particules de fort indice vont subir une force de gradient qui aura tendance `a les diriger selon les puits de potentiel du r´eseau optique.

Fig. 1.22 – Tri de particules dans un r´eseau optique I. Les flux de liquide des chambres

A et B sont laminaires. Les particules de la chambre B sont transport´ees dans la chambre D. De mˆeme, le liquide de la chambre A induit un flux dirig´e en direction de la chambre C. Grˆace `a l’utilisation d’un r´eseau optique tridimensionnel dans la chambre de fractionnalisation (FC), une population particuli`ere de particules est pouss´ee de fa¸con s´elective vers le flux de liquide g´en´er´e par la chambre A, ce qui la s´epare des autres populations. II. S´eparation suivant la taille. Les points noirs repr´esentent les positions image apr`es image de deux microcapsules d’un diam`etre de 2 µm qui se d´eplacent de droite `a gauche dans le r´eseau optique. La vitesse du flux est de 20 µm/s et la puissance laser totale 530 mW. Une d´eviation significative est obtenue alors que des capsules de 4 µm (points blancs) continuent leur chemin sans ˆetre d´evi´ees.

Le r´eseau optique tridimensionnel est g´en´er´e par les techniques holographiques d´ecrites pr´ec´edemment au paragraphe 1.2.2. A l’aide d’un laser d’une puissance de 530 mW, des billes de verre et de latex ont pu ˆetre tri´ees avec une efficacit´e de plus de 96 % et des microcapsules de 2 µm de diam`etre ont pu ˆetre s´epar´ees d’un flux de particules de 4 µm. Une s´eparation d’´erythrocytes

et de lymphocytes a ´egalement ´et´e realis´ee avec ce syst`eme [120]. Le dispositif fonctionne aussi dans le cas de solutions concentr´ees et sa vitesse de tri est d’environ 25 particules par seconde, ce qui est l´eg`erement sup´erieur aux vitesses des microsyst`emes de type FACS (cf. paragraphe 1.3.2). Cette technique holographique de tri est actuellement exploit´ee par Arryx, une start-up de Chicago, pour des applications (th´eoriques) allant de l’industrie des cosm´etiques jusqu’`a la purification de l’eau, en passant par les t´el´ecommunications.

Un syst`eme plus r´ecent (2005), d´evelopp´e par Wang et al. (soci´et´e Genoptix) 3 (San Diego, Californie) [87] consiste en un syst`eme opto-fluidique activ´e par fluorescence (cf. figure 1.23). Son principe de fonctionnement est tr`es similaire `a celui du FACS pr´esent´e au paragraphe 1.3.2. Des cellules issues d’un ´echantillon biologique sont align´ees par une focalisation hydrodynamique avant de traverser une zone d’analyse dans laquelle on d´etecte la fluorescence de la cellule. Si celle-ci est fluorescente, elle est consid´er´ee comme ´etant une cible et pouss´ee par une pince optique vers une zone de collecte. Dans le cas contraire, la cellule est orient´ee vers une zone de d´echets.

Fig. 1.23 – Tri fluidique et com- mutateur optique. Des cellules is- sues d’un ´echantillon biologique sont align´ees avant de traverser une zone d’analyse dans laquelle on d´etecte la fluorescence de la cellule. Si celle-ci est fluorescente, elle est consid´er´ee comme ´etant une cible et pouss´ee par un interrupteur optique vers une zone de collecte. Dans le cas contraire, la cellule est orient´ee vers une zone de d´echets.)

La pince optique est particuli`erement efficace et c’est ce qui rend ce syst`eme si int´eressant. Il s’agit en fait d’un laser de 20 W faiblement focalis´e et translat´e pr`es de la cellule d’int´erˆet `a une vitesse similaire de celle du flux de liquide. L’efficacit´e du tri est sup´erieure `a 80 %, et le d´ebit du tri est relativement ´elev´e, avec 20 `a 100 cellules analys´ees par seconde. La viabilit´e et le stress des cellules ont ´et´e ´evalu´es et les cellules ne semblent pas subir de dommages suite `a ce tri.

Ce dispositif d´emontre, avec l’exemple pr´ec´edent, que la combinaison d’´el´ements optiques et fluidiques reste une approche pertinente et peu stressante pour le mat´eriel biologique analys´e. Cependant, les puissances laser n´ecessaires et les composants utilis´es (´el´ement de diffraction pour la cr´eation du r´eseau optique, pince optique) sont un frein au d´eveloppement d’un syst`eme int´egr´e et autonome et augmentent ´egalement les coˆuts de fabrication.