Tri optique d’une population d’int´ erˆ et dans un m´ elange

En utilisant de fa¸con pertinente l’absence de r´eactivit´e des cellules Jurkat vis-`a-vis des forces optiques, il est possible de r´ealiser une d´emonstration de s´eparation de deux populations cellu- laires.

Fig. 3.25 – D´emonstration de la propulsion optique de Saccharomyces cerevisiae dans le mannitol `a 280mM sur des guides courbes en nitrure de silicium. Les levures sont propuls´ees le long du guide par la pression de radiation `a des vitesses inf´erieures ou ´egales au micron par seconde (fl`eches noires). Les forces de gradient tr`es importantes permettent aux levures de s’ins´erer sur le guide et d’y rester malgr´e la courbure du guide (fl`eches rouges).

Pour r´ealiser ces exp´eriences, une chambre en PDMS a ´et´e construite selon la m´ethode d´ecrite en d´etail `a la section 2.3.4 et pr´esent´ee dans la figure suivante. Des bact´eries issues du polen ont ´

et´e m´elang´ees `a des cellules Jurkat (entre 4500 et 6000 cellules Jurkat environ sont m´elang´ees `a des bact´eries et inject´ees dans la chambre).

Fig. 3.26 – Sch´ema de la chambre utilis´ee pour les exp´eriences de tri optique. En A, une vue de dessus de la chambre d’observation. En B, une vue transversale du dispositif. Un grand r´eservoir de milieu liquide est reli´e `a la zone des guides, afin de compenser les pertes par ´

evaporation. Une zone particuli`ere est d´edi´ee `a l’injection de l’´echantillon et reli´ee elle aussi `a la zone des guides d’ondes. Ces guides sont prot´eg´es de tout contact physique avec le PDMS par un couloir de 2mm de large et 68µm de hauteur.

Fig. 3.27 –Principe du tri optique de deux populations cellulaires dans un m´elange.

A. Au d´ebut de l’exp´erience, le m´elange est introduit perpendiculairement au guide inject´e. Il contient deux populations bien distinctes, des cellules insensibles aux effets optiques (Jurkat, cercle noir) et une autre population bact´erienne (cercle blanc). B. Lorsque l’´echantillon arrive au niveau du guide, les cellules Jurkat traversent le guide sous l’effet du flux. En revanche, les bact´eries sont pi´eg´ees sur le guide puis entraˆın´ees sur le guide. Les deux populations, cellules Jurkat et bact´eries, se retrouvent donc s´epar´ees dans deux zones distinctes.

Fig. 3.28 – D´emonstration d’un tri optique de deux populations cellulaires dans

un m´elange. S´equence montrant la possibilit´e de trier optiquement deux populations dans un m´elange : des cellules Jurkat et des bact´eries, respectivement mat´erialis´ees par des cercles et des fl`eches. L’´echantillon arrive par le haut de l’image, perpendiculairement au guide. Suivant le principe pr´esent´e `a la figure 3.27, les deux populations sont s´epar´ees en deux populations homog`enes.

En injectant perpendiculairement au guide un ´echantillon compos´e de cellules Jurkat et de bact´eries issues du pollen, il est possible de pi´eger et d´eplacer s´electivement la population bact´erienne du m´elange. Le sch´ema de principe de la s´eparation des deux populations est indiqu´e `

a la figure 3.27. Les cellules Jurkat ´etant insensibles aux effets optiques, nous avons utilis´e cette caract´eristique pour effectuer un tri cellulaire.

La d´emonstration du principe de tri est pr´esent´ee sur la figure 3.28.

Ainsi, l’´echantillon contenant le m´elange de cellules Jurkat et de bact´eries est amen´e sur le guide par un flux orthogonal au guide. Les cellules Jurkat pouss´ees par le flux et insensibles aux forces de gradient ainsi qu’`a la pression de radiation traversent le guide sans ˆetre d´evi´ees. A l’inverse, les bact´eries sont attir´ees et pi´eg´ees sur le guide d’onde. Elles sont alors ´eloign´ees de la zone de tri par d´eplacement `a la surface du guide. L’efficacit´e de ce tri est de l’ordre de 85%(nb bact´eries pi´eg´ees/nb bact´eries total).

De fa¸con int´eressante, le processus de tri et le transport de la population bact´erienne est effectu´e par le mˆeme composant, le guide d’onde. Il faut aussi noter que puisque l’ensemble de l’´echantillon est amen´e en contact avec le guide d’onde, les deux sous-populations de cellules et de bact´eries peuvent en th´eorie ˆetre consid´erablement enrichies avec un taux d’erreur de tri suppos´e faible si la densit´e d’objets sur la surface n’est pas trop ´elev´ee. On peut ´egalement imaginer plusieurs guides d’onde de dimension variable et de diff´erente nature dispos´es parall`element et sur lesquels l’´echantillon `a trier passerait simultan´ement. Ceci permettrait d’affiner la qualit´e du tri, en particulier pour s´eparer un m´elange cellulaire plus complexe.

Un d´efaut identifi´e de cette m´ethode concerne le d´ebit de l’op´eration de tri. En effet, le flux hydrodynamique qui transporte le m´elange de cellules jusqu’au guide d’onde est peu ´elev´e. N´eanmoins, le tri s’effectue sur un guide pouvant ais´ement faire plusieurs centim`etres de long, i.e. l’´echantillon `a trier peut ˆetre r´eparti sur l’ensemble du guide. A la diff´erence des microsyst`emes de tri en flux pr´esent´es dans la litt´erature (voir des exemples de tels dispositifs dans la section 1.3), la suspension cellulaire n’est pas confin´ee dans un microcanal et il n’est pas n´ecessaire que les cellules arrivent une `a une devant le d´etecteur et le moyen de tri. Dans le cas du tri sur guide d’onde, la s´eparation peut s’effectuer en parall`ele sur toute la longueur du guide.

La seule limitation en terme de d´ebit de tri semble ˆetre la densit´e d’objets circulant sur le guide : d’une part une grande quantit´e de particules sur le guide pourrait empˆecher les cellules de traverser ou de s’ins´erer sur le guide, d’autre part des cellules devant traverser le guide pourraient ˆetre entraˆın´ees sur le guide en ´etant pouss´ees par les particules plus petites, `a la mani`ere des cellules Jurkat pouss´ees par les billes de latex sur les guides nitrure (figure 3.14). Un autre d´efaut concerne l’´equipement associ´e au microdispositif. Bien que le guide d’onde soit un composant simple et durable, la n´ecessit´e d’employer un mat´eriel optique complexe et coˆuteux (laser, objectifs, . . .) autour du guide demeure une limitation technique importante.

Notons encore que le tri pr´esent´e ici est effectu´e sur la base des propri´et´es optiques in- trins`eques des cellules Jurkat et des bact´eries. Ainsi, la technologie de tri de particules d´ecrite

ici se classe dans les m´ethodes de manipulation sans marquage et non invasives de suspensions cellulaires. De plus, d’apr`es les ´etudes pr´ec´edentes r´ealis´ees sur les cellules Jurkat et les levures Saccharomyces cerevisiae, la viabilit´e des cellules plac´ees en contact avec le guide d’onde pendant quelques dizaines de minutes, ne semble pas compromise.