Professor Thomas Gervais från Polytechnique Montréal och hans studenter Pierre-Alexandre Goyette och Étienne Boulais, i samarbete med teamet som leds av professor David Juncker vid McGill University, har utvecklat en ny mikrofluidisk process som syftar till att automatisera proteindetektering av antikroppar. Detta jobb, publicerad i Naturkommunikation , pekar på ankomsten av nya bärbara instrument för att påskynda screeningprocessen och molekylanalys i biologiska laboratorier för att påskynda forskning inom cancerbiologi.

Från konventionella mikrofluidik till mikrofluidik i öppet utrymme

Mikrofluidik hänvisar till manipulation av vätskor i mikroskalaenheter. Vanligen kallade "labs on a chip, "mikrofluidsystem används för att studera och analysera mycket småskaliga kemiska eller biologiska prover, ersätta de extremt dyra och besvärliga instrument som används för traditionella biologiska analyser. Listades 2001 bland "10 nya tekniker som kommer att förändra världen" av MIT Technology Review, mikrofluidik anses vara lika revolutionerande för biologi och kemi som mikroprocessorer har varit för elektronik och IT, och det gäller en enorm marknad.

I dag, denna unga disciplin, som började ta fart på 2000 -talet med slutna system som består av mikrokanalnät, förändras i sig radikalt av upptäckten som gjorts av forskargruppen från Polytechnique och McGill University, vilket förstärker de teoretiska och experimentella grunderna för mikrofluidik i det öppna rummet.

Denna teknik, som eliminerar kanaler, konkurrerar positivt med konventionell mikrofluidik för vissa typer av analyser. Verkligen, den klassiska konfigurationen av mikrofluidiska anordningar med sluten kanal ger flera nackdelar:kanaltvärsnittets skala ökar den stress som cellerna utsätts för när de är i kultur, och de är inte kompatibla med cellodlingsstandarden, petriskålen, vilket gör det svårt för industrin att anta det.

Det nya tillvägagångssättet som forskarna från Polytechnique och McGill University utforskade bygger på mikrofluidiska multipoler (MFM), ett system för samtidig sugning och sugning av vätska genom motstående mikroöppningar på en mycket liten yta placerad i ett trångt utrymme som är mindre än 0,1 mm tjockt. "När de kommer i kontakt med varandra, dessa vätskestrålar bildar mönster som kan ses genom att färga dem med kemiska reagenser, "säger professor Gervais." Vi ville förstå dessa mönster samtidigt som vi utvecklade en pålitlig metod för modellering av MFM. "

Elegant visuell symmetri som påminner om konstnären M. C. Eschers verk

För att förstå dessa mönster, Professor Gervais team fick utveckla en ny matematisk modell för öppna multipolära flöden. Denna modell är baserad på en klassisk gren av matematik som kallas conformal mapping som löser ett problem relaterat till en komplex geometri genom att reducera den till en enklare geometri (och vice versa).

Ph.D. student Étienne Boulais utvecklade först en modell för att studera mikrojetkollisioner i en multifluidisk dipol (en MFM med endast två öppningar), och då, förlitar sig på denna matematiska teori, extrapolerade modellen till MFM med flera öppningar. "Vi kan göra en analogi med ett schackspel där det finns en version med fyra spelare, sedan sex eller åtta, tillämpa en rumslig deformation samtidigt som samma spelregler bibehålls, " han förklarar.

"När den utsätts för överensstämmande kartläggning, mönstren som skapas av flytande jetkollisioner bildar symmetriska bilder som påminner om målningarna av den holländska konstnären M.C. Escher, "tillägger den unga forskaren, som har en passion för bildkonst. "Men långt bortom dess estetiska dragningskraft, vår modell låter oss beskriva den hastighet med vilken molekyler rör sig genom vätskor samt deras koncentration. Vi har definierat giltiga regler för alla möjliga systemkonfigurationer på upp till 12 poler för att generera en mängd olika flödes- och diffusionsmönster. "

Metoden är därför en komplett verktygslåda som inte bara kommer att göra det möjligt att modellera och förklara fenomen som förekommer i MFM, men också utforska nya konfigurationer. Tack vare denna metod, det är nu möjligt att automatisera mikrofluidiska tester i öppna utrymmen, som hittills bara har utforskats genom försök och fel.

Tillverkning av enheten med 3D-utskrift

Designen och tillverkningen av MFM-enheten utfördes av Pierre-Alexandre Goyette. Denna enhet är en liten sond gjord av harts med hjälp av en billig 3D-utskriftsprocess och ansluten till ett system med pumpar och injektorer.

"Kompetensen hos professor Junckers team i upptäckt av proteiner med antikroppar immobiliserade på en yta har varit ovärderlig för att hantera de biologiska aspekterna av detta projekt, "säger doktoranden i biomedicinsk teknik." Resultaten som erhållits med analyser validerade noggrannheten hos de modeller som min kollega Étienne utvecklat. "

Enheten möjliggör samtidig användning av flera reagenser för att detektera olika molekyler i samma prov, vilket sparar biologer värdefull tid. För vissa typer av tester, analystiden kan minskas från flera dagar till några timmar, eller till och med några minuter. Dessutom, mångsidigheten i denna teknik bör göra den användbar för olika analytiska processer, inklusive immunologiska tester och DNA -test.

Mot en mikrofluidskärm?

Professor Gervais team överväger redan ett nästa steg i sitt projekt:utvecklingen av en skärm som visar en kemisk bild.

"Det skulle vara en slags kemisk ekvivalent med flytande kristallskärmen, "Professor Gervais förklarar." På samma sätt som vi flyttar elektroner över en skärm, vi skulle skicka vätskestrålar i olika koncentrationer som skulle reagera med en yta. Tillsammans, de skulle bilda en bild. Vi är mycket glada över att gå vidare med detta projekt, för vilka vi har fått ett provisoriskt patent. "

Förnyelse av diagnostiska förfaranden och uppföljning av medicinsk behandling

Tills vidare, tekniken som utvecklats av detta forskargrupp riktar sig till den grundläggande forskningsmarknaden. "Våra processer gör det möjligt att exponera celler för många reagenser samtidigt, "Professor Gervais säger." De kan hjälpa biologer att studera interaktioner mellan proteiner och reagenser i stor skala, öka mängden och kvaliteten på information som erhålls under analyser. "

Han förklarar att därefter Läkemedelsmarknaden kommer också att kunna dra nytta av nya metoder för screening av systemautomatisering till följd av upptäckten. Slutligen, det öppnar upp en ny väg för upptäckt av läkemedel genom att underlätta patientens cellodling och exponering för olika läkemedelsmedel för att avgöra vilka de svarar bäst på.